Topologiske bølger kan hjælpe med at forstå plasmasystemer

For næsten 50 år siden, Brown University -fysikeren Michael Kosterlitz og hans kolleger brugte topologiens matematik - studiet af, hvordan genstande kan deformeres ved at strække eller vride, men ikke rive eller bryde - til at forklare forvirrende faseændringer i visse former for stof. Værket vandt Kosterlitz en andel af Nobelprisen i fysik i 2016 og har ført til opdagelsen af ​​topologiske fænomener i alle slags systemer, fra tynde film, der kun leder elektricitet rundt om deres kanter, til mærkelige bølger, der formerer sig i havene og atmosfæren ved Jordens ækvator.

Nu er et hold forskere, herunder en anden brun fysiker, har føjet et nyt topologisk fænomen til den stadig voksende liste. I ny teoretisk forskning, teamet viser, at elektromagnetiske bølger af topologisk oprindelse bør være til stede på overfladen af ​​plasmaer - varme supper af ioniseret gas. Hvis teorien viser sig at være sand, disse bølger kunne give forskere en ny måde at undersøge plasmas egenskaber på, som findes i alt fra lysstofrør til stjerner.

Undersøgelsen blev ledet af Jeffrey Parker, forsker ved Lawrence Livermore National Laboratory, i samarbejde med Brad Marston, professor i fysik ved Brown, og andre. Papiret udgives i Fysisk gennemgangsbreve .

Bølgerne, kaldet gasformige plasmon polaritoner, forplante sig langs grænsefladen af ​​et plasma og dets omgivelser, når systemet udsættes for et stærkt magnetfelt. Marston siger, at det interessante ved disse bølger er, at de er "topologisk beskyttet, "hvilket betyder, at de iboende er til stede i systemet og er modstandsdygtige over for at blive spredt af urenheder.

"Hver gang du har en bølge, der er beskyttet mod spredning, det betyder, at de kan forblive intakte over en lang afstand, "Sagde Marston." Som en praktisk sag, vi håber, at disse kan bruges til at diagnosticere plasmatilstande. Et af de store problemer i plasmafysik er at finde ud af et plasmas tilstand uden at forstyrre det. Hvis du stikker i en sonde, du vil forstyrre systemet. Vi kan muligvis bruge disse bølger til at skelne plasmaets tilstand uden at forstyrre det. "

En måde at tænke på topologisk beskyttelse, Marston siger, er noget kendt som den hårede kuglesætning. Forestil dig en bold dækket af lange hår. Hvis man skulle prøve at kamme disse hår ned, der vil altid være mindst ét ​​sted på bolden, hvor hårene ikke ligger fladt.

"Dette sted vil altid være der, "Sagde Marston." Du kan flytte det rundt, men den eneste måde at slippe af med det er at rive noget hår ud. Men udelukkende sådan noget voldeligt, hvis du bare manipulerer det kontinuerligt uden at rive noget, der vil altid være en hvirvel. "

Den evigt tilstedeværende hvirvel på den behårede kugle er matematisk analog med bølgerne på et plasmas overflade, Siger Marston.

"I dette tilfælde, der er altid en hvirvel, men det er i bølgetalrummet, bølgelængder af de forskellige bølger, "sagde han." Det er lidt mere abstrakt end i det virkelige rum, men matematikken er stort set ens. "

Efter at have uddybet det teoretiske grundlag for disse bølger, det næste trin er at udføre eksperimenter for at bekræfte, at de virkelig er der. Marston og hans kolleger vandt for nylig et frøstipend fra Brown for at hjælpe dem med at gøre netop det. Ved hjælp af forskere ved UCLA's Basic Plasma Physics Facility, Marston og hans kolleger planlægger at udføre eksperimenter for at opdage disse bølger.

Ultimativt, Marston håber, at opdagelsen af ​​disse bølger kan være en velsignelse for plasmafysik, hjælpe forskere med bedre at forstå og kontrollere plasmasystemer. Et stort område, Marston er interesseret i, er plasmafusionsreaktorer. Sådanne reaktorer kunne en dag udnytte atomfusion for at producere en overflod af ren energi, men hidtil har plasmasystemerne vist sig at være svære at kontrollere.

"På lang sigt, vi håber, at dette kan have indflydelse på fusionsenergi, "Sagde Marston." Hvis vi kan bruge disse bølger til at skelne plasmaernes tilstande, det kan hjælpe med at designe en fusionsreaktor, der er stabil og i stand til at producere energi. "

Men for nu, Marston og hans kolleger ser frem til at udføre deres eksperimenter.

"Hvis vi kan demonstrere disse ting eksperimentelt, folk i plasmasamfundet vil forhåbentlig begynde at være mere opmærksom på denne idé, " han sagde.

Andre medforfattere på papiret var Steven Tobias og Ziyan Zhu.