Wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt om gemagnetiseerde plasma's te classificeren die mogelijk kan leiden tot vooruitgang bij het oogsten op aarde van de fusie-energie die de zon en de sterren aandrijft. De ontdekking door theoretici van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ontdekte dat een gemagnetiseerd plasma 10 unieke fasen heeft en dat de overgangen daartussen rijke implicaties kunnen hebben voor praktische ontwikkeling.

De ruimtelijke grenzen, of overgangen, tussen verschillende fasen ondersteunt gelokaliseerde golfexcitaties, vonden de onderzoekers. "Deze bevindingen kunnen leiden tot mogelijke toepassingen van deze exotische excitaties in ruimte- en laboratoriumplasma's, " zei Yichen Fu, een afgestudeerde student aan PPPL en hoofdauteur van een paper in Natuurcommunicatie dat schetst het onderzoek. "De volgende stap is om te onderzoeken wat deze excitaties zouden kunnen doen en hoe ze kunnen worden gebruikt."

Mogelijke toepassingen

Mogelijke toepassingen zijn onder meer het gebruik van de excitaties om stroom te creëren in magnetische fusieplasma's of het vergemakkelijken van plasmarotatie in fusie-experimenten. Echter, "Onze paper houdt geen rekening met praktische toepassingen, " zei natuurkundige Hong Qin, co-auteur van het papier en Fu's adviseur. "Het papier is de basistheorie en de technologie zal het theoretische begrip volgen."

In feite, "de ontdekking van de 10 fasen in plasma markeert een primaire ontwikkeling in de plasmafysica, " zei Qin. "De eerste en belangrijkste stap in elk wetenschappelijk streven is het classificeren van de objecten die worden onderzocht. Elk nieuw classificatieschema zal leiden tot verbetering van ons theoretisch begrip en daaropvolgende technologische vooruitgang, " hij zei.

Qin noemt de ontdekking van de belangrijkste soorten diabetes als een voorbeeld van de rol die classificatie speelt in wetenschappelijke vooruitgang. "Bij het ontwikkelen van behandelingen voor diabetes, wetenschappers ontdekten dat er drie hoofdtypen waren, " zei hij. "Nu kunnen artsen diabetespatiënten effectief behandelen."

Fusie, die wetenschappers over de hele wereld op aarde willen produceren, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken - om enorme hoeveelheden energie vrij te maken. Dergelijke energie zou kunnen dienen als een veilige en schone energiebron voor het opwekken van elektriciteit.

De plasmafasen die PPPL heeft blootgelegd, staan ​​technisch bekend als "topologische fasen, ", wat de vormen van de golven aangeeft die door plasma worden ondersteund. Deze unieke eigenschap van materie werd voor het eerst ontdekt in de discipline van de fysica van de gecondenseerde materie in de jaren zeventig - een ontdekking waarvoor natuurkundige Duncan Haldane van Princeton University de 2016 Nobelprijs deelde voor zijn baanbrekende werk.

Robuust en intrinsiek

De gelokaliseerde plasmagolven geproduceerd door faseovergangen zijn robuust en intrinsiek omdat ze "topologisch beschermd zijn, " Qin zei. "De ontdekking dat deze topologisch beschermde excitatie bestaat in gemagnetiseerde plasma's is een grote stap voorwaarts die kan worden onderzocht voor praktische toepassingen, " hij zei.

Voor eerste auteur Fu, "De belangrijkste vooruitgang in het artikel is kijken naar plasma op basis van zijn topologische eigenschappen en het identificeren van zijn topologische fasen. Op basis van deze fasen identificeren we de noodzakelijke en voldoende voorwaarde voor de excitaties van deze gelokaliseerde golven. Hoe deze vooruitgang kan worden toegepast onderzoek naar fusie-energie te vergemakkelijken, we moeten erachter komen."