La mayoría de los laicos están familiarizados con los tres estados de la materia como sólidos, líquidos y gases. Pero hay otras formas que existen. Plasmas, por ejemplo, son la forma más abundante de materia en el universo, que se encuentran en todo nuestro sistema solar en el sol y otros cuerpos planetarios. Los científicos todavía están trabajando para comprender los fundamentos de este estado de la materia, que está resultando cada vez más significativo, no solo para explicar cómo funciona el universo, sino también para aprovechar el material para formas alternativas de energía.

Por primera vez, 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 estado de plasma. Sus observaciones, publicado en Cartas de revisión física , tienen implicaciones para comprender mejor las estrellas y los planetas y podrían ayudar en la realización de la fusión nuclear controlada, una fuente de energía alternativa prometedora cuya realización ha eludido a los científicos durante décadas.

¿Qué es un plasma?

Los plasmas consisten en una sopa caliente de electrones e iones en movimiento libre (átomos que han perdido sus electrones) que fácilmente conduce la electricidad. Aunque los plasmas no son comunes de forma natural en la Tierra, comprenden la mayor parte de la materia en el universo observable, como la superficie del sol. Los científicos pueden generar plasmas artificiales aquí en la Tierra, normalmente calentando un gas a miles de grados Fahrenheit, que despoja a los átomos de sus electrones. A menor escala, este es el mismo proceso que permite que los televisores de plasma y los letreros de neón "brillen":la electricidad excita los átomos de un gas de neón, haciendo que el neón entre en un estado de plasma y emita fotones de luz.

De líquido a plasma

Como Mohamed Zaghoo, investigador asociado de la 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 había 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 Fermi y Paul Dirac, dos de los fundadores de la mecánica cuántica, introdujo la formulación estadística que describe el comportamiento de la materia hecha de electrones, neutrones, y protones, materia normal que forma los objetos de la Tierra. Fermi y Dirac plantearon la hipótesis de que en determinadas condiciones (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. Un plasma sin embargo, no sigue este paradigma.

Para observar un metal líquido que se cruza con un plasma, los investigadores de LLE comenzaron con el deuterio metálico líquido, que mostraba las propiedades clásicas de un líquido. Para aumentar la densidad del deuterio, lo enfriaron a 21 grados Kelvin (-422 grados Fahrenheit). Luego, los investigadores utilizaron los láseres OMEGA de LLE para desencadenar una fuerte onda de choque a través del deuterio líquido ultrafrío. La onda de choque comprimió el deuterio a presiones hasta cinco millones de veces mayores que la presión atmosférica, al mismo tiempo que aumenta sus temperaturas a casi 180, 000 grados Fahrenheit. La muestra partió completamente transparente, pero a medida que aumentaba la presión, 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 donde este simple metal líquido brillante se transformó en un denso plasma, "Dice Zaghoo.

Entender 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, "alrededor de los 90, 000 grados Fahrenheit, la reflectancia del deuterio metálico comenzó a aumentar con una pendiente que se espera si los electrones en el sistema ya no son cuánticos sino clásicos, "Dice Zaghoo." Esto significa que el metal se había convertido en plasma ".

Es decir, los investigadores de LLE comenzaron con un simple líquido. El aumento de la densidad a condiciones extremas hizo que el líquido entrara en un estado en el que exhibía propiedades cuánticas. Elevar aún más la temperatura hizo que se convirtiera en plasma, momento en el que exhibió propiedades clásicas, aún estaba en condiciones de alta densidad, dice Suxing Hu, científico senior de LLE y coautor del estudio. "Lo que es notable es que las condiciones en las que se produce este cruce entre lo cuántico y lo clásico son diferentes de las que la mayoría de la gente esperaba basándose en los libros de texto sobre plasma. Además, este comportamiento podría ser universal para todos los demás metales ".

Comprender estos fundamentos de los líquidos y plasmas permite a los investigadores desarrollar nuevos modelos para describir cómo los materiales en 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 obtener energía de fusión, Dice Zaghoo. "Este trabajo no es solo una curiosidad de laboratorio. Los plasmas comprenden los vastos interiores de los 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 para lograr la fusión. . "