Алхимия XXI века: преобразование жидкого металлического дейтерия в плазму

Что общего между звездами, молнией и северным сиянием? Все эти «объекты» красивы по своему, порой вызывают у наблюдателя экзистенциальные размышления и романтические переживания. Однако и с точки зрения физики у них есть общая черта — плазма. Этот ионизированный газ, считающийся четвертым агрегатным состоянием вещества (помимо твердого, жидкого и газообразного), весьма распространен на просторах Вселенной и достаточно массово производится людьми. Сегодня мы с вами рассмотрим исследование, в котором ученым удалось преобразовать жидкий металлический дейтерий в плазму. Что именно для этого потребовалось и какие результаты сего «алхимического» эксперимента? Ответы будем искать в докладе исследовательской группы. Поехали.

Предыстория

Прежде всего стоит коротенько напомнить себе что есть плазма и дейтерий.

Плазма это ионизированный газ, который не является веществом в газообразном состоянии. Такой вот физический каламбур. Основные элементы плазмы это свободные электроны и ионы. Ребята эти очень подвижны, от чего плазма отлично проводит электрический ток.

Открыто это состояние было в далеком 1879 году английским физиком и химиком Уильямом Круксом. Он считал, что в ионизированном газе содержится одинаковое число ионов и электронов, потому суммарный заряд подобного вещества будет очень мал. И это действительно так — положительные и отрицательные частицы (по заряду) внутри плазмы находятся в полном равновесии, то есть заряды частиц компенсируют друг друга, в результате чего заряд внутреннего поля плазмы равен нулю. Подобная нейтрализация зарядов друг друга у частиц именуется квазинейтральностью.

Плазма, как я уже сказал ранее, это четвертое состояние вещества, хоть далеко не все ученые согласны с таким утверждением. Однако стоит отметить, что существует ряд отличий от «обычного» газообразного состояния, которые и дают право плазме именоваться отдельным, четвертым состоянием. Среди этих отличий присутствуют: высокая электропроводность, множество независимых друг от друга частиц (ионы, электроны и нейтральные частицы), немаксвелловское распределение по скорости, коллективное взаимодействие частиц.

С плазмой хорошо знакомы астрофизики, производители электроники и даже метеорологи. Звезды, солнечный ветер, космическое пространство, межзвездные туманности это плазма. Молнии, северное сияние, ионосфера и огни святого Эльма это плазма. Содержимое люминесцентных неоновых ламп, плазменных ракетных двигателей, мониторов и телевизоров это тоже определенный вид плазмы. Другими словами, плазмы много не бывает.

На данный момент существует несколько методов лабораторного получения плазмы, среди которых: нагрев вещества, ионизация излучением (ультрафиолетовым, рентгеновским, лазерным и т.д.), электрический заряд, ионизация ударными волнами и т.д.

Чаще всего упоминается именно термический способ получения плазмы, то есть путем нагрева определенного вещества до очень высоких температур. Во время этого процесса в атомах вещества происходят определенные изменения — электроны отсоединяются от их орбит, в результате чего получаются отдельно свободные электроны и отдельно ионы.



Также плазму можно получить путем пропускания через газ электрического тока — метод газового разряда. В таком случае происходит ионизация газа, степень которой можно менять, манипулируя параметрами тока. Однако полученная плазма, фактически нагретая за счет электрического тока, может быстро остывать при контакте с незаряженными частицами окружающего газа.

Плазма в гараже (не повторяйте этот опыт в домашних условиях, если не хотите лишнего визита медиков и пожарных).

А теперь немного о дейтерие, но не о простом, а о металлическом.

Для начала что есть дейтерий? Это тяжелый водород (D или ²H), то есть изотоп водорода, у которого в ядре (именуемом дейтрон) имеется 1 нейтрон и 1 протон.

Ролик о том, как из обыкновенной воды получают тяжелую — дейтерий.

Впервые дейтерий увидел свет в 1932 (1931) году благодаря американским ученым Гарольду Юри и Фердинанду Брикведде, которые провели дистилляцию 5 л жидкого водорода. Результатом этой процедуры стала жидкость объемом в 1 мл.

Но это обычный дейтерий, в рассматриваемом нами сегодня исследовании речь идет о металлическом дейтерии. Это вещество было получено посредством воздействия большого давления и высоких температур на дейтерий.

В 2015 году ученые провели эксперимент по «превращению» изолятора в проводник. В качестве испытуемого был выбран именно дейтерий. Ссылка для скачивания доклада по этому исследованию.

И вот спустя всего несколько лет металлический дейтерий стал объектом нового исследования, в котором ученые решили превратить его в плазму.

Результаты исследования

Во время исследования применялись сферические дейтерированные углеродные оболочки, заполненные жидким дейтерием, на которые воздействовали несколькими лазерными импульсами (100 пс, пикосекунд). Эта процедура давала возможность получить сферически сходящуюся ударную волну в самом жидком дейтерии (ρ₀=0,172 г / см³). Лазерный импульс запускал импульсный привод, который производил изначально сильный (до ~ 5,5 Мбар), но не равномерный удар, уменьшающийся в давлении и скорости удара в процессе распространения.


Изображение №1

Для измерения профилей скорости удара и самоэмиссии импульсных ударов внутри жидкого дейтерия были применены VISAR* (комплекс интерферометра скорости для любого отражателя) и оптический пирометр*.

VISAR* — система измерения скорости с временным разрешением, использующая лазерную интерферометрию для замеров поверхностной скорости твердых тел, движущихся на высокой скорости.

Пирометр* — устройство бесконтактного измерения температуры тел.

На изображении 1А показаны результаты VISAR: вертикальная ось это удар, разделенный по времени (горизонтальная ось). Из этого наблюдения следует вывод, что скорость затухания достаточно низка по сравнению со временем уравновешивания.

Оптический анализ (1С) проводился непосредственно над ударным барьером на глубине 30-40 нм. Эти цифры не были взяты из потолка — это достаточно глубоко, чтобы провести наблюдение за уравновешенным состоянием плазмы, и достаточно неглубоко, чтобы непрерывно отслеживать изменяющееся состояние удара во время его затухания (1В).

Также ученые проанализировали коэффициент абсолютного отражения (R), выделенный из показателей интенсивности лазера VISAR, отраженной от дейтерия во время удара (1Е). Температурные данные были получены путем измерения спектрального излучения ударного барьера (1D).

Во время испытаний ученые наблюдали затухание ударов от 60 км/ч до 35 км/ч, что эквивалентно диапазону давления ~5.5 … ~0.5 Мбар. В пределах этого диапазона плотность практически неизменна (ρ=0.774, TF=13.8 eV), однако наблюдаются изменения температуры от 3 до 11 eV (1 eV = 11,603 K). Учитывая оптические свойства дейтерия, сжатого до 0.774 г/см³, то есть показатели отражения, ученые смогли проверить и его электронные свойства.

При низком давлении наблюдается сильная связь и вырождение в образце (Г ≫ 1, ϴ ≪ 1). Но при повышении температуры именно эти характеристики меняются в первую очередь. Ученые выделяют два состояния при изменении этих параметров. В первом при 0.15 < ϴ < 0.4 и 2.6 < Г < 6 наблюдается постоянное оптическое отражение в примерно 40%.


Изображение №2: соотношение коэффициента отражения и силы сцепления.

Данное значение описывается минимумом металлической проводимости по правилу Мотта–Иоффе–Регеля, когда время для электрон-ионной релаксации зависит от межатомного расстояния (a) и скорости Ферми (v_F): τ_min=a/v_F. Правило Мотта–Иоффе–Регеля предсказывает, что при полной ионизации минимальный коэффициент оптического отражения должен составлять 0.38 при световом излучении в 532 нм. Подобные теоретические выводы отлично сопоставляются с практическими результатами экспериментов.

Второе состояние возникает, когда значение ϴ превышает 0.4 (T ~ 5 eV). В таком случае отражение растет до ~0.7 при T ~ 11 eV (изображение №2). В этот момент сила сцепления уменьшается, когда значение Г достигает 1. При температуре в 5 eV ожидалась полная ионизация дейтерия ввиду теоретической зависимости коэффициента отражения и времени рассеяния.

Далее ученые решили проверить влияние времени рассеяния (τ) на наблюдаемую отражательную способность. Для этого была определена величина τ для данных, записанных с использованием формулы Френеля и модели свободных электронов.


Изображение №3

Благодаря полученным данным (3В) ученые установили, что до T/TF ~ 0.4 в металлической жидкости будет существовать поверхность Ферми. Но выше этого температурного показателя увеличение предполагаемого времени релаксации подразумевает отсутствие ограничения в допустимой скорости, а для достижения увеличения коэффициента отражения необходимо более длительное время релаксации, то есть более высокие тепловые скорости. Посему, учитывая время релаксации в исследуемой области, ученые установили, что τ ~ T1.55±0.04.

Данные цифры очень близки к показателям классического невырожденного предела идеальной плазмы (τ ~ T1.5).

На изображении 3А показаны результаты сравнения экспериментально выведенного значения электропроводности со значениями, предсказанными двумя транспортными моделями в плотной плазме. Данные модели сводятся к двум противоположным ограничениям: вырожденному Зимана и невырожденному Спитцера. Однако они не указывают на точное положение кроссовера*.

Кроссовер* — изменение критических индексов термодинамической системы при изменении внешних параметров, во время которого не наблюдается изменений симметрии системы или скачков термодинамических параметров.

Данный кроссовер играет значительную роль в термодинамических и электронных свойствах плотных проводящих жидкостей. Ученые приводят следующий пример: знак химического потенциала системы µ(T) меняется с положительного в пределе Ферми–Дирака на отрицательный в максвелловской плазме, а теплоемкость C_υ переходит от C_υ ∝ Т/Тf в вырожденном пределе к C_υ ~ 3R.


Изображение №4

Напоследок ученые сравнивают свое творение с подобными экспериментами, но не с дейтерием, а с разбавленным жидким ³He (гелий-3) или с ультрахолодными щелочными газами. В этих системах подобный кроссовер температурных зависимостей динамических свойств атомной фермионной системы относится уже к квантовой статистике (изображение выше). Несмотря на разницу в 8-12 раз показателей температуры и плотности, для всех систем остаются общими правила вырождения в системах Ферми.

Результаты практического эксперимента отлично согласуются с данными вычислений с использованием методов Монте-Карло для плотной водородной плазмы. Эти вычисления показали значительную перестановку/обмен электронов в плазме при T <0,4 TF для разных плотностей. Повышение температуры выше этого показателя значительно снижает вероятность квантового обмена между двумя или более электронами. Поскольку перестановка/обмен электронов необходимы для формирования поверхности Ферми, при увеличении температуры электроны больше не вырождаются, а сфера Ферми разрушается.

Для более детального ознакомления с подробностями исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад исследовательской группы.

Эпилог

Ученые крайне довольны своей работой. Что не удивительно, учитывая где их труд может стать очень полезным. Во-первых, прогнозирование критериев вырождения в компактных астрофизических телах, что позволит определять границу между атмосферой и вырождающимся ядром. Во-вторых, в объектах термоядерного синтеза, что позволит точно определять желаемый температурный диапазон, в котором должно находиться ядерное топливо во время имплозии (взрыва, направленного внутрь). Помимо этого ученые считают, что их работа поможет в исследовании квантовых явлений в теплой плотной материи.

Потенциал действительно велик, как и число вопросов, на которые еще предстоит ответить ученым во время дальнейших исследований как плазмы, так и столь необычного вещества — жидкого металлического дейтерия.

И, конечно же, пятничный офф-топ:

«Sweet Home Alabama» (Lynyrd Skynyrd) в исполнении трансформатора Теслы.

Дуговой разряд от трансформатора Теслы это один из наглядных (и весьма эффектных) примеров плазмы.

Офф-топ 2.0:

Данный ролик совершенно не относится к теме исследования (хотя тут тоже есть жидкий металл), но было бы неправильно не поделиться такой красотой :)

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?