Разработан способ превратить жидкий металл в плазму

Ученые лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера провели эксперименты по преобразованию жидкого металла в ионизированный газ — плазму. Результаты исследования описаны в журнале Physical Review Letters.

Из курса школьной физики нам известно о существовании трех основных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. На самом же деле их гораздо больше, включая такие необычные состояния как нейтрониум, фермионный конденсат, сверхкритическая жидкость и странная материя. Термин «плазма» в такой компании звучит вполне обыденно.

Итак, плазма — это агрегатное состояние вещества, представляющее собой «горячий суп» из электронов и ионов. Важно, чтобы количество положительно и отрицательно заряженных частиц было одинаковым, поддерживая условие электронейтральности материи. В состоянии плазмы пребывает большая часть вещества во Вселенной: поверхность Солнца, туманности, звезды и межзвездная среда. Исследование физических свойств вещества в состоянии плазмы позволит лучше понять процессы, происходящие в межгалактическом пространстве, и научиться управлять термоядерным синтезом.

Команда исследователей Университета Рочестера провела эксперименты с жидким металлом, который помещала в условия сверxвысоких температур и давлений. Критическая плотность выступала сенсором перехода: жидкое состояние вещества в таких условиях проявляет квантовые свойства, в то время как частицы плазмы подчиняются уже теории классической физики.

Исследования проводили на металлическом дейтерии, изотопе водорода, охлажденном до -252 ᵒС (21 ᵒK). В таких условиях дейтерий демонстрирует свойства классической жидкости. На образец направляли лазерный луч, который практически мгновенно повышал давление в образце до 5 млн. атмосфер, а температуру — почти до 180 тыс. градусов. При этом ученые наблюдали превращение изначально прозрачного вещества в состояние блестящего металла с высоким коэффициентом оптического отражения. Измеряя поведение коэффициента отражения образца с увеличением температуры, они смогли определить момент, когда простой жидкий металл перешел в состояние плазмы. При этом обнаружилось, что с повышением температуры в металле сначала проявлялись квантовые свойства электронов, но при прохождении отметки в 90 тыс. градусов коэффициент отражения образца менял свое поведение так, как будто электроны вновь становились классическими частицами. Это означало, что жидкий металл переходил в состояние плазмы.

«Примечательно, что условия, при которых образец превращается из квантовой жидкости в классическую плазму, отличаются от тех, которые предсказываются в традиционных учебниках по физике плазмы, — комментирует Суксин Ху, соавтор статьи. — Более того, мы ожидаем, что такое поведение может быть характерным для всех металлов».

Изучение этих фундаментальных свойств жидкости и плазмы поможет исследователям в разработке новых моделей электро- и теплопроводности материалов в условиях экстремальных давлений и температур и в конце концов поможет объяснить процессы, происходящие в звездах, и смоделировать условия, необходимые для осуществления контролируемого термоядерного синтеза.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.