Op weg naar het schrijven van zijn Ph.D. proefschrift, Lucio Milanese deed een ontdekking - een die zijn onderzoek heroriënteerde, en zal nu waarschijnlijk zijn proefschrift domineren.

Milanese bestudeert plasma, een gasachtige stroom van ionen en elektronen die 99 procent van het zichtbare heelal omvat, inclusief de ionosfeer van de aarde, interstellaire ruimte, de zonnewind, en de omgeving van sterren. Plasma's, zoals andere vloeistoffen, worden vaak aangetroffen in een turbulente toestand die wordt gekenmerkt door chaotische, onvoorspelbare beweging, biedt meerdere uitdagingen voor onderzoekers die het kosmische universum willen begrijpen of hopen brandende plasma's te gebruiken voor fusie-energie.

Milanese is geïnteresseerd in wat natuurkundige Richard Feynman 'het belangrijkste onopgeloste probleem van de klassieke natuurkunde' noemde:turbulentie. In dit geval, de focus ligt op plasmaturbulentie, zijn aard en structuur.

"Stel dat je een kopje thee roert met een lepel:je creëert een draaikolk, een draaikolk, op de schaal van de beker. Deze grootschalige draaikolk wordt uiteindelijk opgebroken in kleinere draaikolken, die in steeds kleinere en kleinere structuren snijden. Uiteindelijk zal deze cascade structuren genereren die zo klein zijn dat ze zullen verdwijnen en de energie zal veranderen in warmte."

In een onlangs gepubliceerd artikel in Natuurkunde beoordelingsbrieven , Milanese biedt een nieuw ontdekt mechanisme genaamd "dynamische fase-uitlijning" om te ontdekken hoe turbulentie energie overbrengt van grote schalen naar kleinere schalen. Milanees, een nucleaire wetenschap en techniek Ph.D. kandidaat bij het Plasma Science and Fusion Center, noemt de ontdekking een 'bouwsteen van een algemene theorie van turbulentie'.

"Turbulentie is complex en chaotisch, maar het is niet volledig wetteloos:de algehele dynamiek moet aan enkele beperkingen voldoen, " zegt Milanese. "Een universele mechanische beperking is dat energie moet worden behouden. In de systemen die we bestuderen, er bestaat ook een topologische beperking:de totale hoeveelheid heliciteit - de mate waarin wervels draaien en spiraalsgewijs draaien - blijft behouden."

Milanese legt uit dat beide conservatieverklaringen van toepassing zijn op alle fysieke schalen, behalve de kleinste, waar dissipatie niet langer kan worden genegeerd.

"Voor de soorten systemen die worden gemodelleerd door de vergelijkingen die we beschouwen - en er zijn er veel - als we een turbulentiemodel zouden ontwikkelen dat alleen rekening houdt met het behoud van energie, we zouden onvermijdelijk eindigen met het schenden van de beperking op heliciteitsbehoud. We waren in staat om deze schijnbare tegenstrijdigheid op te lossen door het nieuwe mechanisme van dynamische fase-uitlijning bloot te leggen."

Milanese biedt dus een verklaring voor een algemeen waargenomen fenomeen dat hij 'de gezamenlijke cascade van energie en heliciteit' noemt. Dit soort cascadepatroon wordt waargenomen in de plasmasystemen die Milanese heeft bestudeerd, zoals de ionosfeer, de zonnewind, en de zonnecorona.

Milanese merkt op dat net zoals een lepel energie en hevigheid geeft aan een kopje thee, de beweging van plasma op het oppervlak van de zon "injecteert" deze hoeveelheden in de zonnewind en de corona van de zon. Zodra dat gebeurt en de cascade begint, de energie en helix blijven behouden totdat de turbulente wervels verdwijnen.

In de plasmasystemen die Milanese onderzocht, de hoeveelheid heliciteit (verdraaiing) wordt bepaald door hoe nauw de fluctuaties van magnetische en elektrische velden zijn gecorreleerd. Op grote schaal, wanneer een aanzienlijke hoeveelheid heliciteit in het systeem aanwezig is, het is statistisch waarschijnlijk dat als de elektrische potentiaal - de spanning - groot is, de lokale magnetische potentiaalfluctuatie zal ook groot zijn. Als grootschalige structuren uiteenvallen in kleinere structuren, dit verandert geleidelijk, en het wordt steeds waarschijnlijker dat als het elektrische potentieel lokaal groot is, de magnetische potentiaalfluctuatie zal klein zijn, bijna nul (en vice versa).

"We ontdekten dat als grootschalige structuren uiteenvallen in kleinere schaalstructuren, de magnetische en elektrische potentiaalfluctuaties worden steeds meer gecorreleerd. Dit is een opmerkelijk voorbeeld van hoe turbulente plasma's zichzelf kunnen organiseren om mechanische en topologische beperkingen te respecteren."

De ontdekking van deze dynamische fase-uitlijning biedt een nieuwe lens waardoor andere turbulente systemen kunnen worden bekeken. Milanese en zijn collega's ontdekten dat de modelvergelijkingen die ze gebruikten om plasma's te beschrijven wiskundig identiek zijn aan die welke de dynamiek beschrijven van snel roterende, niet-geïoniseerde vloeistofstromen, zoals orkanen en tornado's.

De ontdekking van dit nieuwe paradigma is gebaseerd op een theoretisch kader ontwikkeld door zijn adviseur, Professor Nuno Loureiro, en Loureiro's medewerker Professor Stanislav Boldyrev van de Universiteit van Wisconsin in Madison, om de dynamiek te beschrijven van plasma's gemaakt van elektronen en positronen - de antideeltjes van elektronen. Milanese begon te werken met Maximilian Daschner, een uitwisselingsstudent van ETH Zürich, om de validiteit van dit theoretisch kader te onderzoeken via numerieke simulaties.

"Het was een mooi cijfermatig project voor een UROP", zegt Milanese. "We dachten dat we over zes maanden klaar zouden zijn en een paper zouden publiceren. Maar toen, twee jaar later, we waren nog steeds op zoek naar interessante resultaten."

Christoffel Chen, Ernest Rutherford Fellow aan de School voor Natuur- en Sterrenkunde, Queen Mary Universiteit van Londen, en een expert in observaties van turbulentie in de zonnewind, commentaar op de betekenis van de ontdekking.

"Het begrijpen van plasmaturbulentie is een belangrijk onderdeel van het oplossen van enkele van de al lang bestaande vragen in de plasmaastrofysica, zoals hoe de zonnecorona wordt verwarmd, hoe de zonnewind wordt opgewekt, hoe sterke magnetische velden in het heelal ontstaan, en hoe energetische deeltjes worden versneld. De resultaten van dit artikel zijn belangrijk, omdat ze een nieuw begrip verschaffen van de belangrijkste universele processen die in dergelijke plasma's werken. Het document is ook belangrijk en actueel omdat het voorspellingen doet die we kunnen testen met de Parker Solar Probe en Solar Orbiter ruimtevaartuigen, die momenteel op weg zijn om de zon van dichtbij te bestuderen."

Dichter bij huis, het werk is relevant voor aanstaande experimenten aan het Instituut voor Plasmafysica in Duitsland. Deze experimenten zullen aanzienlijke aantallen elektronen en positronen vangen in een magnetische kooi, waardoor onderzoekers de eigenschappen van een dergelijk systeem kunnen bestuderen, hoewel bij temperaturen die veel lager zijn dan wat gewoonlijk wordt waargenomen in astrofysische omgevingen. Milanese verwacht dat het systeem turbulent zal zijn en gelooft dat het mogelijk kan worden gebruikt als laboratoriumtestbed voor zijn ideeën.

Milanese merkt op dat verdere studie van dynamische fase-uitlijning het grootste deel van zijn proefschrift is geworden. Hij werkt momenteel om de toepasbaarheid van dit werk uit te breiden tot een veel breder scala aan vloeistoffen dan de soorten plasma en snel roterende vloeistoffen die hij al heeft onderzocht.

Binnenkort gaat hij ook zijn blik verbreden. Volgend jaar zal hij zich bevinden aan de Tsinghua University in China als onderdeel van de Schwarzman Scholar's class van 2022. Dit eenjarige, volledig bekostigde masteropleiding in buitenlandse zaken biedt hem kansen op het gebied van openbaar beleid, economie, bedrijf, en internationale betrekkingen. Milanese kijkt ernaar uit om de zakelijke en beleidskant van het creëren van een wereldwijde fusie-energie-industrie te verkennen - een die afhankelijk is van het opbouwen van een geavanceerd begrip van turbulentie in plasma's, wat zijn primaire focus was.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.