Investigadores convierten metal líquido en plasma
Actualizado el 20 septiembre, 2022
La mayoría de las personas están familiarizadas con los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Pero también existen otras formas. Los plasmas, por ejemplo, son la forma más abundante de materia en el universo, que se encuentra en todo el sistema solar en el sol y en otros cuerpos planetarios.
Los científicos todavía están trabajando para comprender los fundamentos de este estado de la materia, que cada vez es más importante, no solo para explicar cómo funciona el universo, sino también para aprovechar el material para formas alternativas de energía.
Las nuevas observaciones, que aparecen en Physical Review Letters, tienen implicaciones para una mejor comprensión de las estrellas y los planetas, y podrían ayudar en la realización de una fusión nuclear controlada, una fuente de energía alternativa prometedora que ha eludido a los científicos durante décadas.
Qué es el plasma
Los plasmas consisten en una sopa caliente de electrones e iones libres, 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, como la superficie del sol.
Los científicos pueden generar plasmas artificiales aquí en la Tierra, típicamente calentando un gas a miles de grados, que elimina a los átomos de sus electrones. En una escala más pequeña, 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, lo que hace que el neón entre en un estado de plasma y emita fotones de luz.
De líquido a plasma
Como Mohamed Zaghoo, investigador asociado del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester, y sus colegas observaron, sin embargo, hay otra manera de crear un plasma: en condiciones de alta densidad, calentar un metal líquido a temperaturas muy altas también produce 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 del plasma a densidades altas, exhibirán propiedades clásicas.
En la década de 1920, Enrico Fermi y 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 constituye los objetos de la Tierra. Fermi y Dirac plantearon la hipótesis de que, en ciertas condiciones, densidades extremadamente altas o temperaturas extremadamente bajas, los electrones o los protones deben asumir ciertas propiedades cuánticas que la física clásica no describe. Un plasma, sin embargo, no sigue este paradigma.
Para observar el paso de un metal líquido a un plasma, los investigadores comenzaron con el metal de deuterio líquido, que mostraba las propiedades clásicas de un líquido. Para aumentar la densidad del deuterio, lo enfriaron a 21 grados Kelvin (-252,15 Celsius). 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, mientras que también aumentó sus temperaturas a casi 100.000 grados Celsius. La muestra comenzó completamente transparente, pero a medida que aumentó la presión, se transformó en un metal brillante con alta reflectividad óptica.
«Al controlar la reflectancia de la muestra en función de su temperatura, pudimos observar las condiciones precisas en las que este simple metal líquido brillante se transformó en un plasma denso», dice Zaghoo.
De cuántico a clásico
Los investigadores observaron que el metal líquido inicialmente exhibió las propiedades cuánticas de los electrones que se esperarían a temperaturas y densidades extremas.
Sin embargo, «a unos 50.000 grados Celsius, la reflectancia del deuterio metálico comenzó a subir 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 un plasma».
En otras palabras, los investigadores comenzaron con un líquido simple. El aumento de la densidad a condiciones extremas hizo que el líquido entrara en un estado en el que exhibía propiedades cuánticas. Aumentar aún más la temperatura hizo que se convirtiera en un plasma, momento en el cual exhibió propiedades clásicas, pero aún estaba en condiciones de alta densidad, dice el coautor del estudio Suxing Hu, un científico senior de LLE.
«Lo que es sorprendente es que las condiciones en las que se produce este cruce entre lo cuántico y lo clásico son diferentes de lo que la mayoría de las personas esperaba en base a los libros de texto sobre plasma. Además, este comportamiento podría ser universal para todos los demás metales».
La comprensión de 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 pueden ayudar a explicar la materia en los extremos del sistema solar, así como a obtener energía de fusión, dice Zaghoo.
«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 materia necesarios para lograr la fusión termonuclear. Estos modelos son esenciales en nuestra comprensión de cómo diseñar mejor los experimentos para lograr la fusión».
Fuente: Futurity – Universidad de Rochester
