Monday, 20 May 2019

Quando il metallo liquido diventa plasma, la fisica si comporta in modo strano

La maggior parte delle persone conosce i tre stati della materia: solidi, liquidi e gas. Ma esistono anche un’altra forma: il plasma, la forma più abbondante di materia nell’universo, che si trova nel nostro sistema solare nel sole e in altri corpi planetari.

Gli scienziati stanno ancora lavorando per capire i fondamenti di questo stato della materia, che si sta rivelando sempre più significativo, non solo per spiegare come funziona l’universo ma anche per sfruttare il materiale per forme alternative di energia.

Le nuove osservazioni, che appaiono in Physical Review Letters, hanno implicazioni importanti per una migliore comprensione di stelle e pianeti e potrebbero aiutare nella realizzazione della fusione nucleare controllata, una promettente fonte di energia alternativa che ha eluso gli scienziati per decenni.

COS’È UN PLASMA?

I plasmi consistono in una zuppa calda di elettroni che si muovono liberi e atomi ionizzati che hanno perso i loro elettroni, una combinazione che conduce facilmente elettricità. Sebbene i plasmi non siano comuni in natura sulla Terra, essi comprendono la maggior parte della materia nell’universo osservabile, come, ad esempio, la superficie del sole.

Gli scienziati possono generare plasmi artificiali qui sulla Terra, tipicamente riscaldando un gas a migliaia di gradi, sottraendo agli atomi i loro elettroni. Su scala ridotta, questo è lo stesso processo che consente ai televisori al plasma e alle insegne al neon di “brillare”: l’elettricità eccita gli atomi del gas neon, portando il neon da gas a plasma che emette fotoni luminosi.

UN SACCO DI CALORE

Come Mohamed Zaghoo, ricercatore associato presso il Laboratorio di Laser Energetica dell’Università di Rochester (LLE), e i suoi colleghi hanno osservato, tuttavia, c’è un altro modo per creare un plasma: in condizioni di alta densità, il riscaldamento di un metallo liquido a temperature molto elevate produce un plasma denso. “questo cambiamento di stato non era stato osservato scientificamente prima ed è esattamente quello che abbiamo fatto“, dice Zaghoo.

Uno degli aspetti unici di questa osservazione è che i metalli liquidi ad alte densità mostrano proprietà quantistiche; tuttavia, se sono portati allo stato del plasma a densità elevate, esibiscono le proprietà classiche.

Negli anni ’20, Enrico Fermi e Paul Dirac, due dei fondatori della meccanica quantistica, introdussero la formulazione statistica che descrive il comportamento della materia composta da elettroni, neutroni e protoni, cioè la materia normale che costituisce gli oggetti della Terra. Fermi e Dirac ipotizzarono che a determinate condizioni – densità estremamente alte o temperature estremamente basse – gli elettroni o i protoni dovevano assumere certe proprietà quantistiche che la fisica classica non descrive. Un plasma, tuttavia, non segue questo paradigma.

Per osservare un metallo liquido diventare plasma, i ricercatori hanno iniziato con il deuterio di metallo liquido, che mostrava le proprietà classiche di un liquido. Per aumentare la densità del deuterio, lo hanno raffreddato a 21 gradi Kelvin.

I ricercatori hanno quindi utilizzato i laser OMEGA della LLE per innescare una forte onda d’urto attraverso il deuterio liquido ultrafreddo. L’onda d’urto comprime il deuterio a pressioni fino a cinque milioni di volte superiori alla pressione atmosferica, aumentando anche le sue temperature a quasi 180.000 gradi Fahrenheit. Il campione, a quel punto, è diventato completamente trasparente, ma con l’aumentare della pressione si è trasformato in un metallo lucido con un’elevata riflettività ottica.

Monitorando la riflettanza del campione in funzione della sua temperatura, siamo stati in grado di osservare le condizioni precise in cui questo semplice metallo liquido brillante si è trasformato in un plasma denso“, dice Zaghoo.

DAL QUANTUM AL CLASSICO

I ricercatori hanno osservato che il metallo liquido inizialmente mostrava le proprietà quantistiche degli elettroni che ci si aspetterebbe a temperature e densità estreme. Tuttavia, “a circa 90.000 gradi Fahrenheit, la riflettanza del deuterio metallico ha iniziato a salire con una pendenza che è prevista se gli elettroni nel sistema non sono più quantici ma classici“, ha spiegato Zaghoo. “Ciò significa che il metallo è diventato un plasma.”

In altre parole, i ricercatori hanno iniziato con un semplice liquido. Aumentandone la densità a condizioni estreme, il liquido è entrato in uno stato in cui esibiva proprietà quantiche. Aumentare ulteriormente la temperatura ha fatto sì che si trasformasse in un plasma e, a quel punto, mostrava proprietà classiche, ma era ancora in condizioni di alta densità, afferma il coautore Suxing Hu, uno scienziato senior del LLE.

Ciò che è notevole è che le condizioni in cui si verifica questo incrocio tra il quantum e il classico si sono dimostrate diverse da quello che la maggior parte di noi si aspettava basandosi sui libri di testo. Inoltre, pensiamo questo comportamento potrebbe essere universale per tutti gli altri metalli. ”

Comprendere questi principi fondamentali dei liquidi e dei plasmi consente ai ricercatori di sviluppare nuovi modelli per descrivere come i materiali ad alta densità conducono elettricità e calore, e possono aiutare a spiegare la materia negli estremi del sistema solare, oltre che aiutare a raggiungere l’energia di fusione, dice Zaghoo.

Questo lavoro non è solo una curiosità di laboratorio. I plasmi comprendono i vasti interni di corpi astrofisici come le nane brune e rappresentano anche gli stati della materia necessari per ottenere la fusione termonucleare. Questi modelli sono essenziali nella nostra comprensione di come progettare meglio gli esperimenti per ottenere la fusione“.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e l’Amministrazione nazionale per la sicurezza nucleare hanno sostenuto il lavoro.

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