物理学家将液态金属转化为稠密等离子体

2022-02-26 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:552 /
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罗切斯特大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的一组物理学家发现了一种将液态金属氘转化为等离子体的方法。序列中物质的第四种基本状态:固体、液体、气体和等离子体& # 8212;并且观察在高密度条件下液体转变为等离子体状态的温度。Zaghoo等人在高密度条件下将液态金属转化为等离子体。图......

罗切斯特大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的一组物理学家发现了一种将液态金属氘转化为等离子体的方法。序列中物质的第四种基本状态:固体、液体、气体和等离子体& # 8212;并且观察在高密度条件下液体转变为等离子体状态的温度。

Zaghoo et al transformed liquid metals into plasmas under high-density conditions. Image credit:: Menno van der Krift.

Zaghoo等人在高密度条件下将液态金属转化为等离子体。图片信用::门诺范德克里夫特。

等离子体由自由运动的电子和容易导电的离子组成。

尽管等离子体在地球上并不常见,但它们构成了可观测宇宙中的大部分物质,比如太阳表面。

物理学家能够在地球上产生人造等离子体,通常是通过将气体加热到几千华氏度,从而剥离原子的电子。

然而,罗切斯特大学的穆罕默德·扎胡博士和他的同事观察到,还有另一种方法可以产生等离子体:在高密度条件下,将液态金属加热到非常高的温度也会产生致密的等离子体。

“向后者的转变以前没有被科学地观察过,这正是我们所做的,”扎胡博士说。

“这一观察的独特之处之一是,高密度下的液态金属表现出量子特性。然而,如果允许它们以高密度穿越到等离子体状态,它们将表现出经典特性。”

Increasing the density to extreme conditions made the liquid enter a state where it exhibited quantum properties; the bottom panel shows the quantum distribution of electrons in a dense liquid metal, where only two electrons can share the same state; however, when the temperature is increased to 0.4. Fermi temperature (90,000 degrees Fahrenheit, or 50,000 degrees Celsius), the electrons rearrange themselves in a random way that resembles a hot soup of plasma and the electrons loose their quantum nature and behave classically (top panel). Image credit: Laboratory for Laser Energetics, University of Rochester / Heather Palmer.

将密度增加到极限条件会使液体进入一种呈现量子特性的状态;下图显示了电子在致密液态金属中的量子分布,其中只有两个电子可以共享同一状态;然而,当温度升高到0.4时。费米温度(90,000华氏度,或50,000摄氏度),电子以随机的方式重新排列自己,就像一个热的等离子汤,电子失去了它们的量子性质,表现出经典的盟友(顶部面板)。图像学分:罗切斯特大学激光能量学实验室/希瑟·帕尔默。

20世纪20年代,恩利克·费密和保罗·狄拉克引入了描述由电子、中子和质子组成的物质行为的统计公式& # 8212;构成地球物体的正常物质。

他们假设在某些条件下。极高的密度或极低的温度& # 8212;电子或质子必须具有经典物理学没有描述的某些量子特性。然而,等离子体并不遵循这一范式。

为了观察液态金属穿越到等离子体,Zaghoo博士和合著者从金属氘开始,显示了液体的经典特性。

为了增加氘的密度,他们将其冷却到零下422华氏度(零下252摄氏度)。

研究人员随后使用激光在超冷液态氘中引发强烈冲击波。

冲击波将氘压缩到比大气压力高500万倍的压力,同时也将氘的温度提高到近18万华氏度(10万摄氏度)。

样品开始时是完全透明的,但随着压力的升高,它变成了具有高光学反射率的闪亮金属。

“通过监测样品的反射率作为其温度的函数,我们能够观察到这种简单的有光泽的液态金属转化为致密等离子体的精确条件,”Zaghoo博士解释道。

研究人员观察到,这种液态金属最初表现出电子的量子特性,这在极端温度和密度下是可以预期的。

“然而,在大约90,000华氏度(50,000摄氏度)时,金属氘的反射率开始以一个斜率上升,如果系统中的电子不再是量子的而是经典的,这是可以预期的。这意味着这种金属已经变成了等离子体,”扎胡博士说。

也就是说,团队从一种简单的液体开始。将密度提高到极限状态会使液体进入一种呈现量子特性的状态。

“温度的进一步升高使它变成了等离子体,在这一点上,它表现出经典的特性,但仍处于高密度条件下,”合著者胡苏星博士说,他也来自罗切斯特大学。

“值得注意的是,量子和经典发生交叉的条件不同于大多数人基于等离子教科书的预期。此外,这种行为可能对所有其他金属都是通用的。”

研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

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米(meter的缩写))Zaghoo等人,2019年。最简单液态金属中费米简并的击穿。《列特物理学报》第122卷第8期;doi:10.1103/physrevlett . 122.085001


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