La mayoría de los laicos están familiarizados con los tres estados de la materia como sólidos, líquidos y gases. Pero existen otras formas. Los plasmas, por ejemplo, son la forma más abundante de materia en el universo, que se encuentra en todo nuestro sistema solar enel sol y otros cuerpos planetarios. Los científicos todavía están trabajando para comprender los fundamentos de este estado de la materia, que está demostrando ser cada vez más significativo, no solo para explicar cómo funciona el universo sino para aprovechar el material para formas alternativas de energía.
Por primera vez, los investigadores del Laboratorio de Energética Láser LLE de la Universidad de Rochester han encontrado una manera de convertir un metal líquido en plasma y observar la temperatura en la que un líquido en condiciones de alta densidad cruza a un plasmaestado. Sus observaciones, publicadas en Cartas de revisión física tiene implicaciones para una mejor comprensión de las estrellas y los planetas y podría ayudar en la realización de la fusión nuclear controlada, una fuente de energía alternativa prometedora cuya realización ha eludido a los científicos durante décadas. La investigación es apoyada por el Departamento de Energía de los EE. UU. Y el National NuclearAdministración de seguridad.
¿Qué es un plasma?
Los plasmas consisten en una sopa caliente de electrones e iones que se mueven libremente, átomos que han perdido sus electrones, que conducen fácilmente la electricidad. Aunque los plasmas no son comunes naturalmente en la Tierra, comprenden la mayor parte de la materia en el universo observable, comocomo la superficie del Sol. Los científicos pueden generar plasmas artificiales aquí en la Tierra, típicamente calentando un gas a miles de grados Fahrenheit, que les quita los átomos a sus electrones. En menor escala, este es el mismo proceso que permite el plasmaTelevisores y letreros de neón para "brillar": la electricidad excita los átomos de un gas de neón, provocando que el neón entre en un estado de plasma y emita fotones de luz.
De un líquido a un plasma
Como Mohamed Zaghoo, investigador asociado en el LLE, y sus colegas observaron, sin embargo, hay otra forma de crear un plasma: en condiciones de alta densidad, calentar un metal líquido a temperaturas muy altas también producirá un plasma denso ".La transición a este último no se ha observado científicamente antes y es precisamente lo que hicimos ", dice Zaghoo.
Uno de los aspectos únicos de esta observación es que los metales líquidos a altas densidades exhiben propiedades cuánticas; sin embargo, si se les permite cruzar al estado de plasma a altas densidades, exhibirán propiedades clásicas. En la década de 1920, Enrico Fermiy Paul Dirac, dos de los fundadores de la mecánica cuántica, introdujeron la formulación estadística que describe el comportamiento de la materia hecha de electrones, neutrones y protones, materia normal que compone los objetos de la Tierra. Fermi y Dirac plantearon la hipótesis de quecondiciones densidades extremadamente altas o temperaturas extremadamente bajas, los electrones o protones tienen que asumir ciertas propiedades cuánticas que no están descritas por la física clásica. Sin embargo, un plasma no sigue este paradigma.
Para observar un metal líquido que cruza hacia un plasma, los investigadores de LLE comenzaron con el deuterio de metal líquido, que mostraba las propiedades clásicas de un líquido. Para aumentar la densidad del deuterio, lo enfriaron a 21 grados Kelvin-422 grados Fahrenheit. Los investigadores luego utilizaron los láseres OMEGA de LLE para provocar una fuerte onda de choque a través del deuterio líquido ultrafresco. La onda de choque comprimió el deuterio a presiones hasta cinco millones de veces mayores que la presión atmosférica, mientras que también aumentó sus temperaturas acasi 180,000 grados Fahrenheit. La muestra comenzó completamente transparente, pero a medida que la presión aumentó, se transformó en un metal brillante con alta reflectividad óptica.
"Al monitorear la reflectancia de la muestra en función de su temperatura, pudimos observar las condiciones precisas en las que este metal líquido lustroso simple se transformó en un plasma denso", dice Zaghoo.
Comprensión de la materia en condiciones extremas
Los investigadores observaron que el metal líquido inicialmente exhibía las propiedades cuánticas de los electrones que se esperarían a temperaturas y densidades extremas. Sin embargo, "a aproximadamente 90,000 grados Fahrenheit, la reflectancia del deuterio metálico comenzó a aumentar con una pendiente que se espera silos electrones en el sistema ya no son cuánticos sino clásicos ", dice Zaghoo." Esto significa que el metal se había convertido en un plasma ".
Es decir, los investigadores de LLE comenzaron con un líquido simple. El aumento de la densidad a condiciones extremas hizo que el líquido entrara en un estado donde exhibía propiedades cuánticas. Al elevar la temperatura aún más, se convirtió en plasma, en ese punto exhibióLas propiedades clásicas, aún estaban en condiciones de alta densidad, dice Suxing Hu, un científico senior de LLE y coautor del estudio. "Lo que es notable es que las condiciones en las que ocurre este cruce entre lo cuántico y lo clásico son diferentes delo que la mayoría de la gente esperaba basándose en los libros de texto de plasma. Además, este comportamiento podría ser universal para todos los demás metales ".
Comprender estos fundamentos de líquidos y plasmas permite a los investigadores desarrollar nuevos modelos para describir cómo los materiales a altas densidades conducen la electricidad y el calor, y puede ayudar a explicar la materia en los extremos del sistema solar, así como ayudar a alcanzar la energía de fusión, Zaghoodice: "Este trabajo no es solo una curiosidad de laboratorio. Los plasmas comprenden los vastos interiores de cuerpos astrofísicos como las enanas marrones y también representan los estados de la materia necesarios para lograr la fusión termonuclear. Estos modelos son esenciales en nuestra comprensión de cómo diseñar mejor los experimentos paralograr la fusión "
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Materiales proporcionado por Universidad de Rochester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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