.
A maioria das pessoas está familiarizada com sólidos, líquidos e gases como três estados da matéria. No entanto, um quarto estado da matéria, chamado plasmas, é a forma de matéria mais abundante no universo, encontrada em todo o nosso sistema solar no sol e em outros corpos planetários. Como o plasma denso – uma sopa quente de átomos com elétrons e íons em movimento livre – normalmente só se forma sob pressão e temperaturas extremas, os cientistas ainda estão trabalhando para compreender os fundamentos desse estado da matéria. Compreender como os átomos reagem sob condições de pressão extrema – um campo conhecido como física de alta densidade de energia (HEDP) – dá aos cientistas informações valiosas sobre os campos da ciência planetária, astrofísica e energia de fusão.
Uma questão importante no campo do HEDP é como os plasmas emitem ou absorvem a radiação. Os modelos atuais que descrevem o transporte de radiação em plasmas densos são fortemente baseados em teoria e não em evidências experimentais.
um novo artigo publicado em Natureza Comunicações, pesquisadores do Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester (LLE) usaram o laser OMEGA da LLE para estudar como a radiação viaja através do plasma denso. A pesquisa, liderada por Suxing Hu, um distinto cientista e líder do Grupo de Teoria de Física de Alta Energia e Densidade do LLE e professor associado de engenharia mecânica, e Philip Nilson, cientista sênior do grupo de Interação Laser-Plasma do LLE , fornece dados experimentais inéditos sobre o comportamento dos átomos em condições extremas. Os dados serão usados para melhorar os modelos de plasma, que permitem aos cientistas entender melhor a evolução das estrelas e podem ajudar na realização da fusão nuclear controlada como fonte alternativa de energia.
“Experiências usando implosões a laser no OMEGA criaram matéria extrema a pressões vários bilhões de vezes a pressão atmosférica na superfície da Terra para que possamos sondar como átomos e moléculas se comportam em condições tão extremas”, diz Hu. “Estas condições correspondem às condições dentro do chamado envelope de estrelas anãs brancas, bem como alvos de fusão inercial.”
Usando espectroscopia de raios-x
Os pesquisadores usaram espectroscopia de raios-x para medir como a radiação é transportada através de plasmas. A espectroscopia de raios X envolve apontar um feixe de radiação na forma de raios X para um plasma feito de átomos – neste caso, átomos de cobre – sob pressão e calor extremos. Os pesquisadores usaram o laser OMEGA tanto para criar o plasma quanto para criar os raios-x direcionados ao plasma.
Quando o plasma é bombardeado com raios-x, os elétrons nos átomos “saltam” de um nível de energia para outro, emitindo ou absorvendo fótons de luz. Um detector mede essas mudanças, revelando os processos físicos que estão ocorrendo dentro do plasma, semelhante a um diagnóstico de raio-x de um osso quebrado.
Uma ruptura com a teoria convencional
As medições experimentais dos pesquisadores indicam que, quando a radiação viaja através de um plasma denso, as mudanças nos níveis de energia atômica não seguem as teorias convencionais atualmente usadas em modelos de física de plasma – os chamados modelos de “redução contínua”. Em vez disso, os pesquisadores descobriram que as medições que observaram em seus experimentos só podem ser explicadas usando uma abordagem autoconsistente baseada na teoria funcional da densidade (DFT). DFT oferece uma descrição mecânica quântica das ligações entre átomos e moléculas em sistemas complexos. O método DFT foi descrito pela primeira vez na década de 1960 e foi objeto do Prêmio Nobel de Química de 1998.
“Este trabalho revela etapas fundamentais para reescrever as descrições atuais dos livros didáticos de como a geração e o transporte de radiação ocorrem em plasmas densos”, diz Hu. “De acordo com nossos experimentos, o uso de uma abordagem DFT autoconsistente descreve com mais precisão o transporte de radiação em um plasma denso”. Nilson diz: “Nossa abordagem pode fornecer uma maneira confiável de simular a geração e o transporte de radiação em plasmas densos encontrados em estrelas e alvos de fusão inercial. O esquema experimental relatado aqui, baseado em uma implosão a laser, pode ser prontamente estendido para uma ampla faixa de materiais, abrindo caminho para investigações de longo alcance da física atômica extrema em pressões tremendas.”
Pesquisadores da Prism Computational Sciences e Sandia National Laboratories e pesquisadores adicionais do LLE, incluindo os estudantes de pós-graduação em física David Bishel e Alex Chin, também contribuíram para este projeto.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Rochester. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
.
