Bijna 50 jaar geleden, Natuurkundige Michael Kosterlitz van de Brown University en zijn collega's gebruikten de wiskunde van de topologie - de studie van hoe objecten kunnen worden vervormd door ze uit te rekken of te draaien, maar niet te scheuren of te breken - om raadselachtige faseveranderingen in bepaalde soorten materie te verklaren. Het werk won Kosterlitz een deel van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 en heeft geleid tot de ontdekking van topologische verschijnselen in allerlei systemen, van dunne films die alleen langs hun randen elektriciteit geleiden, tot vreemde golven die zich voortplanten in de oceanen en de atmosfeer op de evenaar van de aarde.

Nu een team van onderzoekers, waaronder een andere Brown-fysicus, heeft een nieuw topologisch fenomeen aan die steeds groter wordende lijst toegevoegd. In nieuw theoretisch onderzoek het team laat zien dat elektromagnetische golven van topologische oorsprong aanwezig moeten zijn op het oppervlak van plasma's - hete soepen van geïoniseerd gas. Als de theorie waar blijkt te zijn, die golven kunnen wetenschappers een nieuwe manier bieden om de eigenschappen van plasma's te onderzoeken, die in alles te vinden zijn, van fluorescerende gloeilampen tot sterren.

Het onderzoek werd geleid door Jeffrey Parker, een onderzoekswetenschapper aan het Lawrence Livermore National Laboratory, in samenwerking met Brad Marston, een professor in de natuurkunde aan Brown, en anderen. De krant is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

De golven, gasvormige plasmonpolaritonen genoemd, zich voortplanten langs het grensvlak van een plasma en zijn omgeving wanneer het systeem wordt blootgesteld aan een sterk magnetisch veld. Marston zegt dat het interessante aan deze golven is dat ze "topologisch beschermd zijn, " wat betekent dat ze inherent aanwezig zijn in het systeem en bestand zijn tegen verstrooiing door onzuiverheden.

"Elke keer dat je een golf hebt die is beschermd tegen verstrooiing, het betekent dat ze over een lange afstand intact kunnen blijven, "Zei Marston. "Als een praktische kwestie, we hopen dat deze kunnen worden gebruikt om plasmatoestanden te diagnosticeren. Een van de grote problemen in de plasmafysica is om de toestand van een plasma te achterhalen zonder het te verstoren. Als je in een sonde steekt, je gaat het systeem verstoren. We kunnen deze golven misschien gebruiken om de toestand van een plasma te onderscheiden zonder het te verstoren."

Een manier om na te denken over topologische bescherming, Marston zegt, is iets dat bekend staat als de harige bal-stelling. Stel je een bal voor die bedekt is met lange haren. Als men zou proberen die haren naar beneden te kammen, er zal altijd minstens één plek op de bal zijn waar de haren niet plat zullen liggen.

"Deze plek zal er altijd zijn, "Zei Marston. "Je kunt het verplaatsen, maar de enige manier om er vanaf te komen is door wat haar uit te trekken. Maar afgezien van zoiets gewelddadigs, als je het gewoon continu manipuleert zonder iets te verscheuren, er zal altijd een draaikolk zijn."

De altijd aanwezige draaikolk op de harige bal is wiskundig analoog aan de golven op het oppervlak van een plasma, zegt Marston.

"In dit geval, er is altijd een vortex, maar die bevindt zich in de golfgetalruimte, golflengten van de verschillende golven, " zei hij. "Het is een beetje abstracter dan in de echte ruimte, maar de wiskunde is grotendeels vergelijkbaar."

Na de theoretische basis voor deze golven te hebben uitgewerkt, de volgende stap is om experimenten uit te voeren om te bevestigen dat ze er echt zijn. Marston en zijn collega's hebben onlangs een seed-subsidie ​​van Brown gewonnen om hen daarbij te helpen. Met de hulp van onderzoekers van UCLA's Basic Plasma Physics Facility, Marston en zijn collega's zijn van plan experimenten uit te voeren om deze golven te detecteren.

uiteindelijk, Marston hoopt dat de ontdekking van deze golven een zegen kan zijn voor de plasmafysica, het helpen van wetenschappers om plasmasystemen beter te begrijpen en te controleren. Een belangrijk gebied waarin Marston geïnteresseerd is, zijn plasmafusiereactoren. Dergelijke reactoren zouden ooit kernfusie kunnen aanwenden om een ​​overvloed aan schone energie te produceren, maar tot dusver zijn de plasmasystemen moeilijk te controleren gebleken.

"Op de lange termijn, we hopen dat dit een impact kan hebben op fusie-energie, "Zei Marston. "Als we deze golven kunnen gebruiken om de toestanden van plasma's te onderscheiden, het kan helpen bij het ontwerpen van een fusiereactor die stabiel is en energie kan produceren."

Maar voor nu, Marston en zijn collega's kijken er naar uit om hun experimenten uit te voeren.

"Als we deze dingen experimenteel kunnen aantonen, mensen in de plasmagemeenschap zullen hopelijk meer aandacht gaan besteden aan dit idee, " hij zei.

Andere co-auteurs op het papier waren Steven Tobias en Ziyan Zhu.