Alchimie du 21e siècle: conversion du deutérium en métal liquide en plasma

Qu'ont en commun les étoiles, la foudre et les aurores boréales? Tous ces «objets» sont beaux à leur manière, parfois l'observateur évoque des pensées existentielles et des sentiments romantiques. Cependant, du point de vue de la physique, ils ont une caractéristique commune - le plasma. Ce gaz ionisé, considéré comme le quatrième état agrégé de la matière (en plus des solides, liquides et gazeux), est très commun dans l'immensité de l'Univers et est massivement produit par les humains. Aujourd'hui, nous considérerons une étude dans laquelle les scientifiques ont pu convertir le deutérium en métal liquide en plasma. Que fallait-il exactement pour cela et quels sont les résultats de cette expérience «alchimique»? Nous chercherons des réponses dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Contexte

Tout d’abord, il convient de vous rappeler brièvement qu’il existe du plasma et du deutérium.

Le plasma est un gaz ionisé qui n'est pas une substance à l'état gazeux. Un tel jeu de mots physique. Les principaux éléments du plasma sont les électrons et les ions libres. Ces gars-là sont très mobiles, à partir desquels le plasma conduit parfaitement le courant électrique.

Cet état a été découvert en 1879 par le physicien et chimiste anglais William Crookes. Il pensait que le gaz ionisé contient le même nombre d'ions et d'électrons, car la charge totale d'une telle substance sera très faible. Et cela est vrai - les particules positives et négatives (en charge) à l'intérieur du plasma sont en équilibre complet, c'est-à-dire que les charges des particules s'annulent, ce qui fait que la charge du champ plasmatique interne est nulle. Une telle neutralisation des charges les unes des autres dans les particules est appelée quasi-neutralité.

Le plasma, comme je l'ai dit plus tôt, est le quatrième état de la matière, bien que tous les scientifiques ne soient pas d'accord avec cette affirmation. Cependant, il convient de noter qu'il existe un certain nombre de différences par rapport à l'état gazeux «ordinaire», qui donnent au plasma le droit d'être appelé un quatrième état distinct. Parmi ces différences figurent: une conductivité électrique élevée, de nombreuses particules indépendantes les unes des autres (ions, électrons et particules neutres), la distribution de vitesse non maxwellienne, l'interaction collective des particules.

Les astrophysiciens, les fabricants d'électronique et même les météorologues connaissent bien le plasma. Les étoiles, le vent solaire, l'espace extra-atmosphérique, les nébuleuses interstellaires sont du plasma. La foudre, les aurores boréales, l'ionosphère et les lumières de Saint-Elme sont du plasma. Le contenu des lampes néon fluorescentes, des moteurs-fusées à plasma, des moniteurs et des téléviseurs est également un certain type de plasma. En d'autres termes, il n'y a pas beaucoup de plasma.

À l'heure actuelle, il existe plusieurs méthodes de préparation de plasma en laboratoire, notamment: le chauffage d'une substance, l'ionisation par rayonnement (ultraviolet, rayons X, laser, etc.), la charge électrique, l'ionisation par ondes de choc, etc.

Le plus souvent, c'est la méthode thermique de production de plasma qui est mentionnée, c'est-à-dire en chauffant une certaine substance à des températures très élevées. Au cours de ce processus, certains changements se produisent dans les atomes de matière - les électrons se détachent de leurs orbites, entraînant des électrons libres et des ions séparés.



Le plasma peut également être obtenu en faisant passer un courant électrique à travers un gaz - la méthode de décharge de gaz. Dans ce cas, l'ionisation gazeuse se produit, dont le degré peut être modifié en manipulant les paramètres actuels. Cependant, le plasma résultant, qui est en fait chauffé par le courant électrique, peut rapidement se refroidir lorsqu'il entre en contact avec des particules non chargées du gaz environnant.


Plasma dans le garage (ne répétez pas cette expérience à la maison, si vous ne voulez pas une visite supplémentaire des médecins et des pompiers).

Et maintenant un peu sur le deutérium, mais pas sur le simple, mais sur le métal.

Pour commencer, qu'est-ce que le deutérium? Il s'agit d'hydrogène lourd (D ou ² H), c'est-à-dire un isotope d'hydrogène qui a 1 neutron et 1 proton dans le noyau (appelé deutéron).


Une vidéo sur la façon dont l'eau lourde est obtenue à partir d'eau ordinaire - le deutérium.

Pour la première fois, le deutérium a été libéré en 1932 (1931) grâce aux scientifiques américains Harold Urey et Ferdinand Brikvedde, qui ont distillé 5 litres d'hydrogène liquide. Le résultat de cette procédure était un liquide de 1 ml.

Mais c'est du deutérium ordinaire, dans l'étude que nous envisageons aujourd'hui, nous parlons de deutérium métallique. Cette substance a été obtenue par exposition à une pression élevée et à des températures élevées sur le deutérium.

En 2015, les scientifiques ont mené une expérience pour «transformer» l'isolateur en conducteur. C'est le deutérium qui a été choisi comme sujet. Lien de téléchargement pour ce rapport d'étude.

Et ce n'est qu'après quelques années que le deutérium métallique est devenu l'objet d'une nouvelle étude dans laquelle les scientifiques ont décidé de le transformer en plasma.

Résultats de recherche

Au cours de l'étude, des coquilles sphériques de carbone deutéré remplies de deutérium liquide ont été utilisées, qui ont été exposées à plusieurs impulsions laser (100 ps, ​​picosecondes). Cette procédure a permis d'obtenir une onde de choc à convergence sphérique dans le deutérium liquide lui-même (ρ ₀ = 0,172 g / cm ³ ). L'impulsion laser a lancé un entraînement d'impulsion, qui a initialement produit un impact fort (jusqu'à ~ 5,5 Mbar), mais pas uniforme, diminuant la pression et la vitesse de l'impact pendant la propagation.


Image n ° 1

VISAR * (un complexe d'interféromètre de vitesse pour tout réflecteur) et un pyromètre optique * ont été utilisés pour mesurer les profils de vitesse de choc et l'auto-émission de chocs pulsés à l'intérieur du deutérium liquide.

VISAR * est un système de mesure de vitesse à résolution temporelle qui utilise l'interférométrie laser pour mesurer la vitesse de surface des solides se déplaçant à grande vitesse.

Pyromètre * - appareil de mesure de température sans contact tél.

La figure 1A montre les résultats de VISAR: l'axe vertical est l'impact divisé par le temps (axe horizontal). De cette observation, il s'ensuit que le taux de décroissance est assez faible par rapport au temps d'équilibrage.

L'analyse optique ( 1C ) a été réalisée directement au-dessus de la barrière de choc à une profondeur de 30 à 40 nm. Ces chiffres n'ont pas été pris du plafond - c'est assez profond pour observer l'état équilibré du plasma, et assez peu profond pour surveiller en continu l'état changeant de l'impact pendant son atténuation ( 1B ).

Les scientifiques ont également analysé le coefficient de réflexion absolu ( R ), isolé des indicateurs d'intensité du laser VISAR réfléchi par le deutérium lors de l'impact ( 1E ). Les données de température ont été obtenues en mesurant le rayonnement spectral de la barrière aux chocs ( 1D ).

Au cours des tests, les scientifiques ont observé une atténuation des chocs de 60 km / h à 35 km / h, ce qui équivaut à une plage de pression de ~ 5,5 ... ~ 0,5 Mbar. Dans cette plage, la densité est pratiquement inchangée (ρ = 0,774, TF = 13,8 eV), cependant, des changements de température de 3 à 11 eV (1 eV = 11 603 K) sont observés. Compte tenu des propriétés optiques du deutérium, comprimé à 0,774 g / cm ³ , c'est-à-dire des indicateurs de réflexion, les scientifiques ont pu vérifier ses propriétés électroniques.

À basse pression, un fort couplage et une dégénérescence sont observés dans l'échantillon ( ≫ 1, ϴ ≪ 1). Mais avec l'augmentation de la température, ce sont ces caractéristiques qui changent en premier lieu. Les scientifiques distinguent deux états lorsque ces paramètres changent. Dans le premier, à 0,15 <ϴ <0,4 et 2,6 <T <6, une réflexion optique constante d'environ 40% est observée.


Image 2: Rapport du coefficient de réflexion et de l'adhérence.

Cette valeur est décrite par le minimum de conductivité métallique selon la règle de Mott-Ioffe-Regel, lorsque le temps de relaxation électron-ion dépend de la distance interatomique ( a ) et de la vitesse de Fermi (v _F ): τ _min = a / v _F. La règle de Mott - Ioffe - Regel prévoit qu'avec une ionisation complète, le coefficient minimum de réflexion optique devrait être de 0,38 pour une émission lumineuse à 532 nm. Des conclusions théoriques similaires sont parfaitement comparées aux résultats expérimentaux pratiques.

Le deuxième état se produit lorsque la valeur de ϴ dépasse 0,4 (T ~ 5 eV). Dans ce cas, la réflexion augmente à ~ 0,7 à T ~ 11 eV (image n ° 2 ). À ce moment, la force de cohésion diminue lorsque la valeur de atteint 1. À une température de 5 eV, une ionisation complète du deutérium était attendue en raison de la dépendance théorique du coefficient de réflexion et du temps de diffusion.

Les scientifiques ont alors décidé de tester l'effet du temps de diffusion (τ) sur la réflectance observée. Pour cela, la valeur de τ a été déterminée pour les données enregistrées à l'aide de la formule de Fresnel et du modèle d'électrons libres.


Image n ° 3

Grâce aux données obtenues ( 3B ), les scientifiques ont découvert que jusqu'à T / TF ~ 0,4, une surface de Fermi existerait dans un liquide métallique. Mais au-dessus de cet indicateur de température, une augmentation du temps de relaxation estimé implique l'absence de limitation de la vitesse admissible, et pour obtenir une augmentation du coefficient de réflexion, un temps de relaxation plus long, c'est-à-dire des vitesses thermiques plus élevées, est nécessaire. Par conséquent, en tenant compte du temps de relaxation dans la zone étudiée, les scientifiques ont constaté que τ ~ T1,55 ± 0,04.

Ces chiffres sont très proches de la limite non dégénérée classique d'un plasma idéal (τ ~ T1.5).

La figure 3A montre les résultats de la comparaison de la valeur dérivée expérimentalement de la conductivité électrique avec les valeurs prédites par les deux modèles de transport dans un plasma dense. Ces modèles sont réduits à deux restrictions opposées: Ziman dégénéré et Spitzer non dégénéré. Cependant, ils n'indiquent pas la position exacte du crossover * .

Crossover * - un changement dans les indices critiques d'un système thermodynamique avec un changement de paramètres externes, pendant lequel aucun changement dans la symétrie du système ou sauts dans les paramètres thermodynamiques n'est observé.

Ce croisement joue un rôle important dans les propriétés thermodynamiques et électroniques des liquides conducteurs denses. Les scientifiques donnent l'exemple suivant: le signe du potentiel chimique du système µ (T) passe de positif dans la limite de Fermi - Dirac à négatif dans le plasma de Maxwell, et la chaleur spécifique C _υ passe de C _υ ∝ T / T f dans la limite dégénérée à C _υ ~ 3 R.


Image n ° 4

Enfin, les scientifiques comparent leur création avec des expériences similaires, mais pas avec du deutérium, mais avec du ³ He liquide dilué (hélium-3) ou avec des gaz alcalins ultra-froids. Dans ces systèmes, un croisement similaire des dépendances en température des propriétés dynamiques du système fermionique atomique fait déjà référence aux statistiques quantiques (image ci-dessus). Malgré la différence de 8 à 12 fois les indicateurs de température et de densité, les règles de dégénérescence dans les systèmes Fermi restent communes à tous les systèmes.

Les résultats d'une expérience pratique sont en excellent accord avec les données de calculs utilisant les méthodes de Monte Carlo pour un plasma d'hydrogène dense. Ces calculs ont montré un réarrangement / échange important d'électrons dans le plasma à T <0,4 TF pour différentes densités. L'élévation de la température au-dessus de cet indicateur réduit considérablement la probabilité d'échange quantique entre deux électrons ou plus. Puisque la permutation / échange d'électrons est nécessaire pour la formation de la surface de Fermi, avec l'augmentation de la température, les électrons ne dégénèrent plus et la sphère de Fermi s'effondre.

Pour une connaissance plus détaillée des détails de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche .

Épilogue

Les scientifiques sont extrêmement satisfaits de leur travail. Ce qui n'est pas surprenant, vu où leur travail peut être très utile. Premièrement, la prédiction des critères de dégénérescence dans des corps astrophysiques compacts, ce qui nous permettra de déterminer la frontière entre l'atmosphère et le noyau dégénéré. Deuxièmement, dans les objets de fusion thermonucléaire, qui permettra de déterminer avec précision la plage de température souhaitée dans laquelle le combustible nucléaire devrait être pendant l'implosion (une explosion dirigée vers l'intérieur). De plus, les scientifiques pensent que leurs travaux aideront à l'étude des phénomènes quantiques dans la matière dense chaude.

Le potentiel est vraiment grand, ainsi que le nombre de questions auxquelles les scientifiques doivent encore répondre lors d'autres études sur le plasma et une substance aussi inhabituelle - le deutérium métallique liquide.



Merci d'avoir regardé, restez curieux et passez un excellent week-end à tous, les gars.

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en le recommandant à vos amis, une réduction de 30% pour les utilisateurs Habr sur un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbps à partir de 20 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbit / s jusqu'à l'été gratuitement lorsque vous payez pour une période de six mois, vous pouvez commander ici .

Dell R730xd 2 fois moins cher? Nous avons seulement 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 Go DDR4 6x480 Go SSD 1 Gbps 100 TV à partir de 249 $ aux Pays-Bas et aux États-Unis! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?