Физики Хун Цинь (слева) и Ичен Фу с рендерингом 10 фаз плазмы из своей статьи в Nature Communications. Предоставлено: фотографии и коллаж Элли Старкман/Office of Communications.
Ученые открыли новый способ классификации намагниченных плазма это может привести к прогрессу в сборе на Земле термоядерной энергии, питающей солнце и звезды. Открытие теоретиков Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США показало, что намагниченная плазма имеет 10 уникальных фаз, и переходы между ними могут иметь большое значение для практического развития.
Исследователи обнаружили, что пространственные границы или переходы между различными фазами будут поддерживать локализованные волновые возбуждения. «Эти результаты могут привести к возможному применению этих экзотических возбуждений в космической и лабораторной плазме», — сказал Ичен Фу, аспирант PPPL и ведущий автор статьи в Природа связи это краткое изложение исследования. «Следующий шаг - изучить, что могут делать эти возбуждения и как их можно использовать».
Возможные применения
Возможные применения включают использование возбуждений для создания тока в магнитной термоядерной плазме или облегчение вращения плазмы в термоядерных экспериментах. Однако «наша статья не рассматривает какое-либо практическое применение», - сказал физик Хун Цинь, соавтор статьи и советник Фу. «Документ представляет собой базовую теорию, а технология будет следовать теоретическому пониманию».
Фактически, «открытие 10 фаз в плазме знаменует собой главное развитие физики плазмы», - сказал Цинь. «Первым и самым важным шагом в любом научном начинании является классификация исследуемых объектов. Любая новая схема классификации приведет к улучшению нашего теоретического понимания и последующему развитию технологий », - сказал он.
Цинь приводит открытие основных типов диабета в качестве примера той роли, которую классификация играет в научном прогрессе. «При разработке методов лечения диабета ученые обнаружили, что существует три основных типа», - сказал он. «Теперь практикующие врачи могут эффективно лечить пациентов с диабетом».
Термоядерный синтез, который ученые всего мира пытаются произвести на Земле, объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния материи, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, составляющих 99 процентов видимой Вселенной — для высвобождения массивных количества энергии. Такая энергия могла бы служить безопасным и чистым источником энергии для выработки электроэнергии.
Плазменные фазы, которые обнаружил PPPL, технически известны как «топологические фазы», что указывает на форму волн, поддерживаемых плазмой. Это уникальное свойство материи было впервые обнаружено в области физики конденсированного состояния в 1970-х годах - открытие, за которое физик Дункан Холдейн из Принстонского университета получил Нобелевскую премию 2016 года за свою новаторскую работу.
Надежный и оригинальный
Локализованные плазменные волны, создаваемые фазовыми переходами, являются устойчивыми и внутренними, поскольку они «топологически защищены», - сказал Цинь. «Открытие того, что это топологически защищенное возбуждение существует в намагниченной плазме, является большим шагом вперед, и его можно использовать на практике», - сказал он.
Для первого автора Фу: «Наиболее важным прогрессом в статье является изучение плазмы на основе ее топологических свойств и определение ее топологических фаз. На основе этих фаз мы определяем необходимое и достаточное условие для возбуждения этих локализованных волн. Что касается того, как этот прогресс может быть использован для облегчения исследований термоядерной энергии, мы должны выяснить ».
Ссылка: «Топологические фазы и соответствие объемных краев намагниченной холодной плазмы» Ичень Фу и Хун Цинь, 24 июня 2021 г., Природа связи.
DOI: 10.1038/s41467-021-24189-3
Управление науки Министерства энергетики США (FES) поддержало эту работу.
