Wenn flüssiges Metall zu Plasma wird, wird die Physik unheimlich

Forscher haben einen Weg gefunden, ein flüssiges Metall in ein Plasma zu verwandeln und die Temperatur zu beobachten, wenn eine Flüssigkeit unter Bedingungen hoher Dichte in einen Plasmazustand übergeht.

Die meisten Menschen kennen die drei Zustände der Materie: Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Es gibt aber auch andere Formen. Plasmen sind beispielsweise die am häufigsten vorkommende Form der Materie im Universum, die in unserem Sonnensystem in der Sonne und in anderen planetarischen Körpern vorkommt.

Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, die Grundlagen dieses Zustands der Materie zu verstehen, der sich als immer bedeutender erweist, nicht nur bei der Erklärung der Funktionsweise des Universums, sondern auch bei der Nutzung von Material für alternative Energieformen.

Die neuen Beobachtungen, die in Physical Review Letters enthalten sind, haben Auswirkungen auf ein besseres Verständnis von Sternen und Planeten und könnten zur Verwirklichung einer kontrollierten Kernfusion beitragen - einer vielversprechenden alternativen Energiequelle, die sich seit Jahrzehnten den Wissenschaftlern entzieht.

Was ist ein Plasma?

Plasmen bestehen aus einer heißen Suppe aus frei beweglichen Elektronen und Ionen - Atomen, die ihre Elektronen verloren haben -, die leicht Elektrizität leiten. Obwohl Plasmen von Natur aus auf der Erde nicht üblich sind, umfassen sie den Großteil der Materie im beobachtbaren Universum, beispielsweise die Oberfläche der Sonne.

Wissenschaftler können hier auf der Erde künstliche Plasmen erzeugen, typischerweise durch Erhitzen eines Gases auf Tausende Grad Fahrenheit, wodurch die Atome von ihren Elektronen befreit werden. In einem kleineren Maßstab ist dies derselbe Vorgang, der Plasma-Fernsehern und Neonlichtern das Leuchten ermöglicht: Durch Elektrizität werden die Atome eines Neongases angeregt, wodurch Neon in einen Plasmazustand gelangt und Lichtphotonen emittiert.

Viel Hitze

Wie Mohamed Zaghoo, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor für Laserenergetik (LLE) der University of Rochester, und seine Kollegen bemerkten, gibt es jedoch eine andere Möglichkeit, ein Plasma zu erzeugen: Unter Bedingungen hoher Dichte wird ein flüssiges Metall auf sehr hohe Temperaturen erhitzt produzieren auch ein dichtes Plasma. "Der Übergang zu letzterem wurde bisher noch nicht wissenschaftlich beobachtet und ist genau das, was wir getan haben", sagt Zaghoo.

Einer der einzigartigen Aspekte dieser Beobachtung ist, dass flüssige Metalle bei hohen Dichten Quanteneigenschaften zeigen; Wenn sie jedoch bei hohen Dichten in den Plasmazustand übergehen dürfen, zeigen sie klassische Eigenschaften.

In den 1920er Jahren führten Enrico Fermi und Paul Dirac, zwei der Begründer der Quantenmechanik, die statistische Formulierung ein, die das Verhalten von Materie aus Elektronen, Neutronen und Protonen beschreibt - normale Materie, aus der die Objekte der Erde bestehen. Fermi und Dirac stellten die Hypothese auf, dass Elektronen oder Protonen unter bestimmten Bedingungen - extrem hohe Dichten oder extrem tiefe Temperaturen - bestimmte Quanten-Eigenschaften annehmen müssen, die die klassische Physik nicht beschreibt. Ein Plasma folgt jedoch nicht diesem Paradigma.

Um zu beobachten, wie ein flüssiges Metall zu einem Plasma übergeht, begannen die Forscher mit dem flüssigen Metall Deuterium, das die klassischen Eigenschaften einer Flüssigkeit zeigte. Um die Dichte des Deuteriums zu erhöhen, kühlten sie es auf 21 Grad Kelvin (-422 Grad Fahrenheit).

Die Forscher verwendeten dann die OMEGA-Laser der LLE, um eine starke Schockwelle durch das ultrakalte flüssige Deuterium auszulösen. Die Schockwelle drückte das Deuterium auf einen Druck von bis zu fünf Millionen Mal über dem Atmosphärendruck zusammen und erhöhte seine Temperaturen auf fast 180.000 Grad Fahrenheit. Die Probe begann völlig transparent, aber als der Druck anstieg, verwandelte sie sich in ein glänzendes Metall mit hohem optischen Reflexionsgrad.

„Durch die Überwachung des Reflexionsgrades der Probe in Abhängigkeit von ihrer Temperatur konnten wir die genauen Bedingungen beobachten, unter denen dieses einfache glänzende flüssige Metall sich in ein dichtes Plasma verwandelte“, sagt Zaghoo.

Von Quantum bis Klassik

Die Forscher beobachteten, dass das flüssige Metall anfangs die Quanteneigenschaften von Elektronen zeigte, die bei extremen Temperaturen und Dichten zu erwarten wären.

„Bei etwa 90.000 Grad Fahrenheit begann der Reflexionsgrad des metallischen Deuteriums jedoch mit einer Steigung zu steigen, die zu erwarten ist, wenn die Elektronen in dem System nicht länger ein Quantum sind, sondern klassisch“, sagt Zaghoo. "Dies bedeutet, dass aus dem Metall ein Plasma geworden ist."

Mit anderen Worten, die Forscher begannen mit einer einfachen Flüssigkeit. Die Erhöhung der Dichte auf extreme Bedingungen brachte die Flüssigkeit in einen Zustand, in dem sie Quanteneigenschaften zeigte. Durch die weitere Erhöhung der Temperatur verwandelte sich das Plasma in ein Plasma. Zu diesem Zeitpunkt wies es klassische Eigenschaften auf, befand sich jedoch immer noch unter Bedingungen hoher Dichte, sagt Mitautor Suxing Hu, leitender Wissenschaftler der LLE.

„Bemerkenswert ist, dass die Bedingungen, unter denen diese Überkreuzung zwischen Quanten und Klassik stattfindet, von den Erwartungen der meisten Menschen aufgrund von Plasmabüchern abweichen. Darüber hinaus könnte dieses Verhalten für alle anderen Metalle universell sein. “

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Durch das Verständnis dieser Grundlagen von Flüssigkeiten und Plasmen können Forscher neue Modelle entwickeln, um zu beschreiben, wie Materialien mit hoher Dichte Elektrizität und Wärme ableiten, und sie können dabei helfen, Materie in den Extremen des Sonnensystems zu erklären sowie Fusionsenergie zu erreichen, sagt Zaghoo.

„Diese Arbeit ist nicht nur eine Neugier im Labor. Plasmen umfassen die ausgedehnten Innenräume astrophysikalischer Körper wie braune Zwerge und stellen auch die Zustände der Materie dar, die zur Erzielung einer thermonuklearen Fusion benötigt werden. Diese Modelle sind wesentlich für unser Verständnis, wie Experimente zur Erzielung der Fusion besser entworfen werden können. “

Das US-Energieministerium und die National Nuclear Security Administration unterstützten die Arbeit.

Quelle: Lindsey Valich für die University of Rochester

Originalstudie DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.085001

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