Une équipe de physiciens de l’Université de Rochester et du Lawrence Livermore National Laboratory a trouvé le moyen de transformer du deutérium métallique liquide en plasma – le quatrième état fondamental de la matière dans l’ordre : solide, liquide, gaz et plasma – et d’observer la température à laquelle un liquide, dans des conditions de haute densité, passe à l’état de plasma.
Zaghoo et al ont transformé des métaux liquides en plasmas dans des conditions de haute densité. Crédit image: : Menno van der Krift.
Les plasmas consistent en une soupe chaude d’électrons et d’ions libres qui conduisent facilement l’électricité.
Bien qu’ils ne soient pas courants à l’état naturel sur Terre, les plasmas constituent la majeure partie de la matière de l’Univers observable, comme la surface du Soleil.
Les physiciens sont capables de générer des plasmas artificiels ici sur Terre, généralement en chauffant un gaz à des milliers de degrés Fahrenheit, ce qui dépouille les atomes de leurs électrons.
Mohamed Zaghoo, de l’Université de Rochester, et ses collègues ont cependant observé qu’il existe une autre façon de créer un plasma : dans des conditions de haute densité, le chauffage d’un métal liquide à de très hautes températures produira également un plasma dense.
“La transition vers ce dernier n’a jamais été observée scientifiquement auparavant et c’est précisément ce que nous avons fait”, a déclaré le Dr Zaghoo.
“L’un des aspects uniques de cette observation est que les métaux liquides à haute densité présentent des propriétés quantiques. Cependant, si on leur permet de passer à l’état de plasma à des densités élevées, ils présenteront des propriétés classiques.”
L’augmentation de la densité dans des conditions extrêmes a fait entrer le liquide dans un état où il présente des propriétés quantiques ; le panneau du bas montre la distribution quantique des électrons dans un métal liquide dense, où seuls deux électrons peuvent partager le même état ; cependant, lorsque la température est augmentée à 0,4. Cependant, lorsque la température est portée à 0,4 % de la température de Fermi (90 000 degrés Fahrenheit ou 50 000 degrés Celsius), les électrons se réarrangent de manière aléatoire et ressemblent à une soupe chaude de plasma. Les électrons perdent leur nature quantique et se comportent de manière classique (panneau supérieur). Crédit image : Laboratoire d’énergétique laser, Université de Rochester / Heather Palmer.
Dans les années 1920, Enrico Fermi et Paul Dirac ont introduit la formulation statistique qui décrit le comportement de la matière constituée d’électrons, de neutrons et de protons – la matière normale qui compose les objets de la Terre.
Ils ont émis l’hypothèse que dans certaines conditions – des densités extrêmement élevées ou des températures extrêmement basses – les électrons ou les protons doivent assumer certaines propriétés quantiques qui ne sont pas décrites par la physique classique. Un plasma, cependant, ne suit pas ce paradigme.
Afin d’observer le passage d’un métal liquide à un plasma, le Dr Zaghoo et ses co-auteurs ont commencé par le deutérium métallique, qui présentait les propriétés classiques d’un liquide.
Pour augmenter la densité du deutérium, ils l’ont refroidi à moins 422 degrés Fahrenheit (moins 252 degrés Celsius).
Les chercheurs ont ensuite utilisé des lasers pour déclencher une forte onde de choc à travers le deutérium liquide ultracool.
L’onde de choc a comprimé le deutérium à des pressions jusqu’à 5 millions de fois supérieures à la pression atmosphérique, tout en augmentant sa température à presque 180 000 degrés Fahrenheit (100 000 degrés Celsius).
L’échantillon a commencé par être complètement transparent, mais au fur et à mesure que la pression augmentait, il s’est transformé en un métal brillant à haute réflectivité optique.
“En surveillant la réflectivité de l’échantillon en fonction de sa température, nous avons pu observer les conditions précises dans lesquelles ce simple métal liquide lustré s’est transformé en un plasma dense”, a expliqué le Dr Zaghoo.
Les chercheurs ont observé que le métal liquide présentait initialement les propriétés quantiques des électrons auxquelles on pourrait s’attendre à des températures et des densités extrêmes.
“Cependant, à environ 90 000degrés Fahrenheit (50 000 degrés Celsius), la réflectance du deutérium métallique a commencé à augmenter avec une pente attendue si les électrons du système ne sont plus quantiques mais classiques. Cela signifie que le métal est devenu un plasma”, a déclaré le Dr Zaghoo.
Autrement dit, l’équipe a commencé avec un simple liquide. En augmentant la densité dans des conditions extrêmes, le liquide est passé à un état où il présentait des propriétés quantiques.
“En augmentant encore la température, le liquide s’est transformé en un plasma, qui présentait alors des propriétés classiques, tout en restant dans des conditions de haute densité “, a déclaré le Dr Suxing Hu, co-auteur de l’étude et également de l’Université de Rochester.
“Ce qui est remarquable, c’est que les conditions dans lesquelles ce passage entre le quantique et le classique se produit sont différentes de ce que la plupart des gens attendaient en se basant sur les manuels sur le plasma. De plus, ce comportement pourrait être universel à tous les autres métaux.”
Les résultats sont publiés dans le journal Physical Review Letters.
