大多數門外漢都熟悉物質的三種狀態，即固態、液態和氣態（加上等離子態也不止四態哦）。但是還有其它形式的存在，例如等離子體（即等離子態）是宇宙中最豐富的物質形式，存在於我們太陽系的太陽和其他行星上。科學家們仍在努力理解這種物質狀態的基本原理。事實證明，這種狀態的重要性越來越大，不僅在解釋宇宙如何運行方面，而且在利用物質來產生替代能源方面。
博科園-科學科普：羅切斯特大學雷射能量學實驗室(LLE)研究人員首次發現了一種將液態金屬轉變為等離子體的方法。並觀察了在高密度條件下液體轉變為等離子體狀態的溫度，他們發表在《物理評論快報》上的觀察結果，對更好地理解恆星和行星有意義，並可能有助於實現受控核聚變——這是一種很有前景的替代能源，科學家們幾十年來一直未能實現這一目標！（本文末有等離子球動圖欣賞哦(^?^*)）
什麽是等離子體（等離子態）？
等離子體是由自由運動電子和離子(失去電子的原子)組成的熱湯，它們很容易導電。儘管等離子體在地球上並不常見（生活中使用的明火也是等離子態，雖然不是完全是），但它們構成了可觀測宇宙的大部分物質，比如太陽表面。科學家們能夠在地球上產生人造等離子體，通常是通過將氣體加熱到數千華氏度，從而剝離原子的電子。在更小的範圍內，這與等離子電視和霓虹燈“發光”過程是相同的：電激發霓虹燈氣體的原子，使霓虹燈進入等離子狀態並發射光子。
從液體到等離子體
然而正如LLE研究助理Mohamed Zaghoo和同事所觀察到的，還有另一種製造等離子體的方法：在高密度的條件下，將液態金屬加熱到很高的溫度也會產生高密度等離子體，向後者的轉變以前從未被科學地觀察到，而這正是我們所做的。這種觀察的一個獨特之處是，高密度液態金屬具有量子特性；然而，如果允許它們在高密度下過渡到等離子態，它們就會表現出經典的性質。20世紀20年代，量子力學的兩位奠基人恩裡科·費米(Enrico Fermi)和保羅·狄拉克(Paul Dirac)引入了統計公式：
描述了由電子、中子和質子組成的物質行為（構成地球物體的正常物質）。費米和狄拉克假設，在特定的條件下（極高的密度或極低的溫度）電子或質子必須具有某些經典物理學無法描述的量子特性。然而，等離子體並不遵循這種模式。為了觀察液態金屬與等離子體的交叉，LLE研究人員從液態金屬氘開始，氘顯示了液體的經典性質。為了增加氘的密度，研究人員把它冷卻到21開爾文(-422華氏度)。
然後，研究人員使用LLE的OMEGA雷射器在超低溫液體氘中引發了強烈的衝擊波。衝擊波把氘壓縮到比大氣壓大500萬倍，同時也把它的溫度提高到接近18萬華氏度。樣品一開始是完全透明的，但隨著壓力的增加，它變成了一種有光澤的金屬，具有很高的光學反射率。通過監測樣品的反射率和溫度關係，能夠精確地觀察到這種簡單光亮的液態金屬轉變成致密等離子體的條件。
理解極端情況下的事物
研究人員觀察到，這種液態金屬最初表現出電子的量子特性，這在極端溫度和密度下是可以預料到的。然而在大約90000華氏度的時候，金屬氘的反射率開始上升，如果系統中的電子不再是量子而是經典的，那麽反射率就會上升，這意味著這種金屬已經變成了等離子體。也就是說，LLE研究人員從一種簡單的液體開始。把密度增加到極端條件，使液體進入一種顯示量子特性的狀態。LLE資深科學家、該研究的合著者蘇興·胡（音譯）說：溫度升高甚至使它進一步變成等離子體，此時它表現出經典特性，但仍處於高密度條件下。
LLE科學家們在高密度條件下將液態金屬轉化為等離子體，把密度增加到極端條件，使液體進入一種顯示量子特性的狀態。上圖顯示了高密度液態金屬中電子的量子分布，其中只有兩個電子可以共享相同的狀態。然而當溫度上升到0.4時。費米溫度(大約90000華氏度)，電子以一種隨機的方式重新排列，就像一鍋熱等離子體，電子失去了它們的量子本質，表現出經典的行為(上圖)。圖片：Laboratory for Laser Energetics / Heather Palmer
值得注意的是，量子與經典交叉發生的條件與大多數人基於等離子體教科書的預期不同。此外，這種行為可能適用於所有其他金屬。解液體和等離子體的這些基本原理，使研究人員能夠開發新模型來描述高密度材料如何傳導電和熱，並有助於解釋太陽系兩極的物質，以及幫助獲得聚變能。這項工作不僅僅是實驗室的好奇，等離子體組成了像褐矮星這樣的天體物理實體巨大內部結構，也代表了實現熱核融合所需的物質狀態。這些模型對於我們理解如何更好地設計實驗來實現核聚變至關重要！
博科園-科學科普｜研究/來自: 羅徹斯特大學/Lindsey Valich
參考期刊文獻:《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.085001
博科園-傳遞宇宙科學之美
香港九龍灣馬來街興發大廈15樓D室