Hurtigt flydende elektroner kan efterligne astrofysiske dynamoer

En kraftfuld motor roiler dybt under vores fødder, konvertere energi i Jordens kerne til magnetfelter, der beskytter os mod solvinden. Lignende motorer driver solens magnetiske aktivitet, andre stjerner og endda andre planeter - som alle skaber magnetfelter, der forstærker sig selv og føder tilbage til motorerne for at holde dem i gang.

Meget om disse motorer, som forskere omtaler som dynamoer, forbliver ukendt. Det er dels fordi matematikken bag dem er dobbelt svært, at kombinere de komplekse ligninger for væskebevægelse med de ligninger, der styrer, hvordan elektriske og magnetiske felter bøjer, vride, interagere og formidle. Men det er også fordi laboratoriebundne dynamoer, som forsøger at efterligne de astrofysiske versioner, er dyre, farlige og producerer endnu ikke pålideligt signaturen selvbærende magnetfelter af ægte dynamoer.

Nu, Victor Galitski, en stipendiat ved Joint Quantum Institute (JQI), i samarbejde med to andre forskere, har foreslået en radikal ny tilgang til at studere dynamoer, en der kunne være enklere og sikrere. Forslaget, som blev udgivet 25. oktober i Fysisk gennemgangsbreve , foreslår at udnytte elektronerne i en centimeter stor del af fast stof for at efterligne væskestrømmene i almindelige dynamoer.

Hvis et sådant forsøg lykkes, det kan være muligt for forskere i fremtiden at studere Jordens dynamo nærmere - og måske endda lære mere om de magnetiske feltflip, der sker hver 100, 000 år eller deromkring. "Dynamikken i Jordens dynamo er ikke godt forstået, og heller ikke dynamikken i disse flips, "siger Galitski, som også er fysikprofessor ved University of Maryland. "Hvis vi havde eksperimenter, der kunne gengive nogle aspekter af dynamoen, det ville være meget vigtigt. "

Sådanne eksperimenter ville ikke være mulige, men fordi elektroner, som fører strøm gennem et materiale, kan undertiden betragtes som en væske. De flyder fra højt potentiale til lavt potentiale, ligesom vand ned ad en bakke, og de kan flyde med forskellige hastigheder. Tricket til at få øje på dynamoeffekten i en elektronvæske får dem til at flyde hurtigt nok uden at smelte materialet.

"Folk har ikke rigtig tænkt på at lave disse forsøg i faste stoffer med elektronvæsker, "Siger Galitski." I dette arbejde forestiller vi os ikke at have et stort system, men vi tror, ​​at det er muligt at fremkalde meget hurtige strømme. "

Disse hurtige strømme ville være interessante i sig selv, Galitski siger, men de er især vigtige for at realisere dynamoeffekten i laboratoriet. På trods af de mange dvælende ubekendte om dynamoer, det ser ud til, at turbulens spiller en afgørende rolle i deres skabelse. Dette skyldes sandsynligvis turbulens, hvilket fører til kaotisk væskebevægelse, kan skubbe magnetfeltet løs fra resten af ​​væsken, får det til at vride og bøje oven på sig selv og øge dets styrke.

Men turbulens opstår kun ved meget hurtige strømninger - som luften, der skynder sig over et flys vinge - eller ved strømninger over meget store skalaer - som det flydende metal i Jordens kerne eller solens plasmaskal. For at skabe en dynamo ved hjælp af et lille stykke fast stof, elektronerne skulle flytte med hastigheder, der aldrig før er set, selv i materialer kendt for at have meget mobile elektroner.

Galitski og hans samarbejdspartnere tror, ​​at et materiale kaldet et Weyl -halvmetal muligvis kan være vært for en elektronvæske, der flyder med mere end en kilometer i sekundet - potentielt hurtigt nok til at generere den turbulens, der er nødvendig for at opstramme en dynamo. Disse materialer har modtaget bred opmærksomhed i de seneste år på grund af deres usædvanlige egenskaber, herunder unormale strømme, der opstår i nærvær af magnetfelter, og som kan reducere den hastighed, der kræves for at turbulens skal opstå.

"Det kan se ud til, at turbulens ikke er særlig ekstraordinær, "siger Sergey Syzranov, en medforfatter og tidligere JQI postdoktoral forsker, der nu er adjunkt i fysik ved University of California, Santa Cruz. "Men i faste stoffer er det aldrig blevet påvist til vores viden. En stor præstation af vores arbejde er, at turbulens er realistisk i nogle solid-state materialer."

Forfatterne siger, at det endnu ikke er klart, hvordan man bedst kan kickstarte en dynamo på en lille skive Weyl -halvmetal. Det kan være så simpelt som fysisk rotation af materialet. Eller det kan kræve pulserende et elektrisk eller magnetisk felt. På den ene eller anden måde, Galitski siger, den eksperimentelle signatur ville vise et totalt ikke -magnetisk system, der spontant danner et magnetfelt. "Kontrollerede forsøg som disse med turbulens i elektroner er totalt uhørt, "Siger Galitski." Jeg kan ikke rigtig sige, hvad der kommer ud af det, men det kunne være virkelig interessant. "