Plasmaoscillationer driver gennembrud inden for fusionsenergi

De fleste mennesker kender til faste stoffer, væsker og gasser som de vigtigste tre tilstande af stof, men en fjerde tilstand af stof eksisterer også. Plasma – også kendt som ioniseret gas – er den mest udbredte, observerbare form for stof i vores univers, fundet i solen og andre himmellegemer.

At skabe den varme blanding af frit bevægende elektroner og ioner, der udgør et plasma, kræver ofte ekstreme tryk eller temperaturer. Under disse ekstreme forhold fortsætter forskerne med at afdække de uventede måder, plasma kan bevæge sig og udvikle sig på. Ved bedre at forstå plasmas bevægelse får forskere værdifuld indsigt i solfysik, astrofysik og fusion.

I et papir offentliggjort i Physical Review Letters , opdagede forskere fra University of Rochester sammen med kolleger ved University of California, San Diego, en ny klasse af plasmaoscillationer - den frem og tilbage, bølgelignende bevægelse af elektroner og ioner. Resultaterne har betydning for at forbedre ydeevnen af ​​miniature-partikelacceleratorer og de reaktorer, der bruges til at skabe fusionsenergi.

"Denne nye klasse af plasmaoscillationer kan udvise ekstraordinære egenskaber, der åbner døren til innovative fremskridt inden for partikelacceleration og fusion," siger John Palastro, en seniorforsker ved Laboratory for Laser Energetics, en assisterende professor i Institut for Mekanisk Teknik, og en lektor ved Institut for Optik.

Plasmabølger med deres eget sind

En af de egenskaber, der kendetegner et plasma, er dets evne til at understøtte kollektiv bevægelse, hvor elektroner og ioner svinger – eller bølger – i forening. Disse svingninger er som en rytmisk dans. Ligesom dansere reagerer på hinandens bevægelser, interagerer og oscillerer de ladede partikler i et plasma sammen og skaber en koordineret bevægelse.

Egenskaberne ved disse svingninger har traditionelt været forbundet med egenskaberne - såsom temperaturen, densiteten eller hastigheden - af plasmaet som helhed. Palastro og hans kolleger fastlagde imidlertid en teoretisk ramme for plasmaoscillationer, hvor egenskaberne af oscillationerne er fuldstændig uafhængige af det plasma, de eksisterer i.

"Forestil dig et hurtigt plukning af en guitarstreng, hvor impulsen forplanter sig langs strengen med en hastighed, der bestemmes af strengens spænding og diameter," siger Palastro. "Vi har fundet en måde at 'plukke' et plasma på, så bølgerne bevæger sig uafhængigt af den analoge spænding og diameter."

Inden for deres teoretiske rammer kunne amplituden af ​​oscillationerne bringes til at rejse hurtigere end lysets hastighed i et vakuum eller stoppe fuldstændig, mens plasmaet selv bevæger sig i en helt anden retning.

Forskningen har en række lovende anvendelser, især til at hjælpe med at opnå rentbrændende, kommerciel fusionsenergi.

Medforfatter Alexey Arefiev, professor i mekanik og rumfartsteknik ved University of California, San Diego, siger:"Denne nye type oscillation kan have konsekvenser for fusionsreaktorer, hvor dæmpende plasmaoscillationer kan lette den indeslutning, der er nødvendig for høj effektivitet elproduktion."

Flere oplysninger: J. P. Palastro et al., Space-Time Structured Plasma Waves, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.095101

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University of Rochester