Científicos han encontrado una manera de convertir un metal líquido en un plasma, y observar la temperatura donde un líquido en condiciones de alta densidad cruza a un estado de plasma.
Estas observaciones pioneras, publicadas por investigadores del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester en Physical Review Letters, tienen implicaciones para una mejor comprensión de las estrellas y los planetas, y podrían ayudar en la realización de la fusión nuclear controlada, una fuente de energía alternativa prometedora cuyo desarrollo empeña a la comunidad científica desde hace décadas.
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.
Sin embargo, como Mohamed Zaghoo, investigador asociado de LLE, y sus colegas observaron, existe 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 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 protones tienen que asumir ciertas propiedades cuánticas que no se describen en la física clásica. Un plasma, sin embargo, no sigue este paradigma.
Para observar el paso de un metal líquido a un plasma, los investigadores de LLE 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. 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.
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 del sistema ya no son cuánticos sino clásicos», dice Zaghoo. «Esto significa que el metal se había convertido en un plasma».
Es decir, los investigadores de LLE 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 Suxing Hu, un científico principal 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 lo que la mayoría de la gente esperaba en base a los libros de texto sobre plasma. Además, este comportamiento podría ser universal para todos los demás metales».
