Een krachtige motor raast diep onder onze voeten, het omzetten van energie in de kern van de aarde in magnetische velden die ons beschermen tegen de zonnewind. Soortgelijke motoren drijven de magnetische activiteit van de zon aan, andere sterren en zelfs andere planeten - die allemaal magnetische velden creëren die zichzelf versterken en terugvoeren naar de motoren om ze draaiende te houden.

Veel over deze motoren, die wetenschappers dynamo's noemen, blijft onbekend. Dat komt deels omdat de wiskunde erachter dubbel zo moeilijk is, het combineren van de complexe vergelijkingen van vloeiende beweging met de vergelijkingen die bepalen hoe elektrische en magnetische velden buigen, twist, interageren en verspreiden. Maar het is ook omdat lab-gebonden dynamo's, die proberen de astrofysische versies na te bootsen, zijn duur, gevaarlijk en produceren nog niet op betrouwbare wijze de kenmerkende zelfvoorzienende magnetische velden van echte dynamo's.

Nutsvoorzieningen, Victor Galitski, een Fellow van het Joint Quantum Institute (JQI), in samenwerking met twee andere wetenschappers, heeft een radicaal nieuwe benadering voorgesteld voor het bestuderen van dynamo's, een die eenvoudiger en veiliger zou kunnen zijn. Het voorstel, die werd gepubliceerd op 25 oktober in Fysieke beoordelingsbrieven , stelt voor om de elektronen in een centimeter groot stuk vaste stof te gebruiken om de vloeistofstromen in gewone dynamo's na te bootsen.

Als zo'n experiment slaagt, het zou voor onderzoekers in de toekomst mogelijk kunnen zijn om de dynamo van de aarde nauwkeuriger te bestuderen - en misschien zelfs meer te leren over de magnetische veldomslagen die elke 100 plaatsvinden, 000 jaar of zo. "De dynamiek van de dynamo van de aarde wordt niet goed begrepen, en evenmin is de dynamiek van deze salto's, " zegt Galitski, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de Universiteit van Maryland. "Als we experimenten hadden die sommige aspecten van die dynamo zouden kunnen reproduceren, dat zou heel belangrijk zijn."

Dergelijke experimenten zouden niet mogelijk zijn, tenzij elektronen, die stroom door een materiaal voeren, kan soms worden gezien als een vloeistof. Ze stromen van hoog potentieel naar laag potentieel, net als water van een heuvel, en ze kunnen met verschillende snelheden stromen. De truc om het dynamo-effect in een elektronenvloeistof te herkennen, is ze snel genoeg te laten stromen zonder het materiaal te smelten.

"Mensen hebben niet echt nagedacht over het doen van deze experimenten in vaste stoffen met elektronenvloeistoffen, " zegt Galitski. "In dit werk stellen we ons niet voor dat we een enorm systeem hebben, maar we denken wel dat het mogelijk is om zeer snelle stromen op te wekken."

Die snelle stromen zouden op zichzelf al interessant zijn, Galitski zegt, maar ze zijn vooral belangrijk om het dynamo-effect in het lab te realiseren. Ondanks de vele slepende onbekenden over dynamo's, het lijkt erop dat turbulentie een cruciale rol speelt bij het ontstaan ​​ervan. Dit komt waarschijnlijk doordat turbulentie, wat leidt tot chaotische vloeistofbewegingen, kan het magnetische veld losmaken van de rest van de vloeistof, waardoor het op zichzelf draait en buigt en zijn kracht vergroot.

Maar turbulentie ontstaat alleen voor zeer snelle stromen - zoals de lucht die over de vleugel van een vliegtuig raast - of voor stromen over zeer grote schalen - zoals het vloeibare metaal in de kern van de aarde of de plasmaschil van de zon. Om een ​​dynamo te maken met een klein stukje vaste stof, de elektronen zouden moeten bewegen met snelheden die nog nooit eerder zijn waargenomen, zelfs in materialen die bekend staan ​​om hun zeer mobiele elektronen.

Galitski en zijn medewerkers denken dat een materiaal dat een Weyl-halfmetaal wordt genoemd, een elektronenvloeistof kan bevatten die met een snelheid van meer dan een kilometer per seconde stroomt - mogelijk snel genoeg om de turbulentie te genereren die nodig is om een ​​dynamo te laten opstarten. Deze materialen hebben de afgelopen jaren brede aandacht gekregen vanwege hun ongebruikelijke eigenschappen, inclusief afwijkende stromen die ontstaan ​​in de aanwezigheid van magnetische velden en die de snelheid kunnen verminderen die nodig is om turbulentie te laten ontstaan.

"Het lijkt misschien dat turbulentie niet bijzonder buitengewoon is, " zegt Sergey Syzranov, een co-auteur en voormalig JQI-postdoctoraal onderzoeker die nu een assistent-professor natuurkunde is aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. "Maar in vaste stoffen is het voor zover wij weten nooit aangetoond. Een belangrijke prestatie van ons werk is dat turbulentie realistisch is in sommige vastestofmaterialen."

De auteurs zeggen dat het nog niet duidelijk is hoe je een dynamo het beste kunt starten op een klein stukje Weyl-halfmetaal. Het kan zo simpel zijn als het fysiek roteren van het materiaal. Of het kan het pulseren van een elektrisch of magnetisch veld vereisen. Hoe dan ook, Galitski zegt, de experimentele signatuur zou laten zien dat een totaal niet-magnetisch systeem spontaan een magnetisch veld vormt. "Gecontroleerde experimenten zoals deze met turbulentie in elektronen zijn totaal ongehoord, " zegt Galitski. "Ik kan niet echt zeggen wat eruit zal komen, maar het kan heel interessant zijn."