Hace casi 50 años, el físico de la Universidad de Brown Michael Kosterlitz y sus colegas utilizaron las matemáticas de la topología, el estudio de cómo los objetos pueden deformarse al estirarse o torcerse, pero no al romperse o romperse para explicar los cambios de fase desconcertantes en ciertos tipos deEl trabajo le valió a Kosterlitz una parte del Premio Nobel de Física 2016 y ha llevado al descubrimiento de fenómenos topológicos en todo tipo de sistemas, desde películas delgadas que conducen electricidad solo alrededor de sus bordes, hasta ondas extrañas que se propagan en los océanos yatmósfera en el ecuador de la Tierra.
Ahora un equipo de investigadores, incluido otro físico de Brown, ha agregado un nuevo fenómeno topológico a esa lista cada vez mayor. En una nueva investigación teórica, el equipo muestra que las ondas electromagnéticas de origen topológico deberían estar presentes en la superficie de los plasmas -sopas calientes de gas ionizado. Si la teoría es cierta, esas ondas podrían proporcionar una nueva forma para que los científicos exploren las propiedades de los plasmas, que se encuentran en todo, desde bombillas fluorescentes hasta estrellas.
La investigación fue dirigida por Jeffrey Parker, científico investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en colaboración con Brad Marston, profesor de física en Brown, y otros. El artículo se publica en Cartas de revisión física .
Las ondas, llamadas polaritones de plasmón gaseoso, se propagan a lo largo de la interfaz de un plasma y sus alrededores cuando el sistema está expuesto a un fuerte campo magnético. Marston dice que lo interesante de estas ondas es que están "protegidas topológicamente", lo que significa queestán inherentemente presentes en el sistema y son resistentes a la dispersión de impurezas.
"Cada vez que tiene una onda protegida contra la dispersión, significa que pueden permanecer intactos a larga distancia", dijo Marston. "Como cuestión práctica, esperamos que puedan usarse para diagnosticar estados plasmáticos. UnoUno de los grandes problemas en la física del plasma es determinar el estado de un plasma sin perturbarlo. Si se inserta en una sonda, interrumpirá el sistema. Podríamos usar estas ondas para discernir el estado de un plasma.plasma sin perturbarlo ".
Marston dice que una forma de pensar en la protección topológica es algo conocido como el teorema de la bola peluda. Imagine una bola cubierta de pelos largos. Si se tratara de peinar esos pelos hacia abajo, siempre habrá al menos un punto enla pelota donde los pelos no quedarán planos
"Este lugar siempre estará allí", dijo Marston. "Puedes moverlo, pero la única forma de deshacerte de él es arrancarte un poco de pelo. Pero salvo algo violento como eso, si solo estás manipulandocontinuamente sin romper nada, siempre habrá un vórtice "
El vórtice siempre presente en la bola peluda es matemáticamente análogo a las ondas en la superficie de un plasma, dice Marston.
"En este caso, siempre hay un vórtice pero está en el espacio del número de onda, las longitudes de onda de las diferentes ondas", dijo. "Es un poco más abstracto que en el espacio real, pero las matemáticas son muy similares".
Habiendo desarrollado la base teórica de estas ondas, el siguiente paso es realizar experimentos para confirmar que realmente están allí. Marston y sus colegas recientemente ganaron una subvención inicial de Brown para ayudarlos a hacer eso. Con la ayuda deinvestigadores de la Instalación de Física de Plasma Básica de UCLA, Marston y sus colegas planean realizar experimentos para detectar estas ondas.
En última instancia, Marston espera que el descubrimiento de estas ondas pueda ser una bendición para la física del plasma, ayudando a los científicos a comprender y controlar mejor los sistemas de plasma. Un área importante en la que Marston está interesado es en los reactores de fusión de plasma. Tales reactores algún día podrían aprovechar la fusión nuclearpara producir una abundancia de energía limpia, pero hasta ahora los sistemas de plasma han demostrado ser difíciles de controlar.
"A largo plazo, esperamos que esto pueda tener un impacto en la energía de fusión", dijo Marston. "Si podemos usar estas ondas para discernir los estados de los plasmas, podría ayudarnos a diseñar un reactor de fusión que sea estable y capaz deproducir energía "
Pero por ahora, Marston y sus colegas están ansiosos por realizar sus experimentos.
"Si podemos demostrar estas cosas experimentalmente, la gente en la comunidad de plasma con suerte comenzará a prestar más atención a esta idea", dijo.
Otros coautores del artículo fueron Steven Tobias y Ziyan Zhu.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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