Des chercheurs américains sont parvenus, pour la première fois, à produire un plasma — ici, en vue d’artiste — à partir d’un métal liquide. © TheDigitalArtist, Pixabay, CC0 Creative Commons

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Du métal liquide transformé en plasma pour la première fois

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Le plasma est la forme de matière la plus abondante dans notre univers. Pourtant, à l'état naturel, mis à part dans les éclairs ou les aurores boréales, on en rencontre peu sur Terre. Pour l'étudier, les chercheurs en créent alors de manière artificielle. Et aujourd'hui pour la première fois, à partir d'un métal liquide !

Solide, liquide et gazeux. Ces trois états de la matière sont familiers au commun des mortels. Les scientifiques, eux, s'intéressent tout particulièrement à un autre état de la matière qui peut nous sembler un peu plus « exotique » : le plasma. Dans notre univers pourtant, la plus grande part de la matière se trouve sous cette forme. Mais ses propriétés restent encore mystérieuses.

Aujourd'hui pour la première fois, des chercheurs de l'université de Rochester (États-Unis) annoncent être parvenus à transformer un métal liquide en plasma. Ils ont ainsi pu observer la température à laquelle, dans des conditions de haute densité, il passe à l'état de plasma. Des travaux qui pourraient avoir des implications dans l'étude des étoiles et des planètes, mais qui pourraient aussi aider à atteindre, enfin, les conditions d'une fusion nucléaire contrôlée, source d’énergie alternative dont rêvent depuis longtemps les chercheurs.

Rappelons que le plasma peut être vu comme une soupe chaude d'électrons et d'ions en mouvements libres. Une soupe particulièrement sensible aux champs électriques et magnétiques et dont la dynamique s'avère complexe. Sur Terre, les conditions de température et de pression nécessaires à la formation de plasma sont rarement réunies. Mais les scientifiques savent en produire, généralement en chauffant un gaz à des milliers de degrés Celsius.

Des scientifiques ont transformé un métal liquide en plasma dans des conditions de haute densité. Cette augmentation à des conditions extrêmes a permis au liquide d’entrer dans un état où il présentait des propriétés quantiques. Le panneau inférieur 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 fois la température de Fermi (environ 50.000 °C), les électrons se réarrangent de manière aléatoire et ressemblent à une soupe de plasma très chaude. Les électrons perdent leur nature quantique et se comportent de manière classique (panneau supérieur). © Heather Palmer, université de Rochester

Environ 50.000 °C pour transformer du métal liquide en plasma

Les chercheurs de l'université de Rochester, quant à eux, ont créé un plasma en chauffant, dans des conditions de densité élevée, un métal à l'état liquide à de très hautes températures. Comment ont-ils procédé ? Ils sont partis d'un deutérium liquide dont ils ont augmenté la densité en le refroidissant à 21 kelvins, soit quelque -250 °C. Grâce à des lasers, ils ont ensuite déclenché une puissante onde de choc qui a comprimé le deutérium liquide ultra-froid, faisant exploser sa pression jusqu'à 5 millions de fois celle de la pression atmosphérique et sa température à quelque 100.000 °C.

Plus qu’une curiosité de laboratoire

De transparent, l'échantillon a pris une couleur métallique hautement réfléchissante. Et c'est en surveillant son facteur de réflexion que les chercheurs ont pu observer les conditions précises dans lesquelles ce simple métal liquide est devenu un plasma dense.

« Aux alentours de 50.000 °C, le facteur de réflexion s'est mis à augmenter avec une pente qui trahit des électrons non plus quantiques -- comme c'est le cas dans un métal liquide à haute densité -- mais classiques : la signature d'un plasma », explique Mohamed Zaghoo, chercheur à l'université de Rochester. Ce qui est remarquable, c'est que les conditions dans lesquelles s'est produit le changement d'état apparaissent différentes de celles que nous attendions. Nos résultats ne constituent pas une simple curiosité de laboratoire. Ils apportent un nouvel éclairage sur notre manière de comprendre le fonctionnement de notre univers. Car ce comportement pourrait bien être commun à tous les métaux. »

  • Dans notre univers, les plasmas sont extrêmement répandus.
  • Sur Terre, ils sont beaucoup plus rares, mais les chercheurs savent en fabriquer.
  • Aujourd’hui, pour la première fois, ils ont transformé un métal liquide en plasma dans des conditions de haute densité.
  • Des travaux qui pourraient aider à mieux comprendre ce qu’il se passe dans les étoiles et les planètes, mais aussi à maîtriser enfin la fusion nucléaire comme source d’énergie alternative.
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