De meeste mensen kennen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen als de drie belangrijkste toestanden van materie, maar er bestaat ook een vierde toestand van materie. Plasma, ook bekend als geïoniseerd gas, is de meest voorkomende, waarneembare vorm van materie in ons universum en wordt aangetroffen in de zon en andere hemellichamen.

Het creëren van de hete mix van vrij bewegende elektronen en ionen waaruit een plasma bestaat, vereist vaak extreme drukken of temperaturen. In deze extreme omstandigheden blijven onderzoekers de onverwachte manieren ontdekken waarop plasma kan bewegen en evolueren. Door de beweging van plasma beter te begrijpen, verwerven wetenschappers waardevolle inzichten in de zonnefysica, astrofysica en kernfusie.

In een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Rochester, samen met collega's van de Universiteit van Californië, San Diego, een nieuwe klasse plasma-oscillaties:de heen en weer gaande, golfachtige beweging van elektronen en ionen. De bevindingen hebben implicaties voor het verbeteren van de prestaties van miniatuurdeeltjesversnellers en de reactoren die worden gebruikt om fusie-energie op te wekken.

"Deze nieuwe klasse plasma-oscillaties kan buitengewone kenmerken vertonen die de deur openen naar innovatieve ontwikkelingen op het gebied van deeltjesversnelling en fusie", zegt John Palastro, een senior wetenschapper bij het Laboratory for Laser Energetics, een assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde, en een universitair hoofddocent aan het Institute of Optics.

Plasmagolven met een eigen mening

Een van de eigenschappen die een plasma karakteriseren is het vermogen om collectieve beweging te ondersteunen, waarbij elektronen en ionen in harmonie oscilleren (of golven). Deze oscillaties zijn als een ritmische dans. Net zoals dansers op elkaars bewegingen reageren, interageren en oscilleren de geladen deeltjes in een plasma met elkaar, waardoor een gecoördineerde beweging ontstaat.

De eigenschappen van deze oscillaties zijn traditioneel gekoppeld aan de eigenschappen – zoals de temperatuur, dichtheid of snelheid – van het plasma als geheel. Palastro en zijn collega's hebben echter een theoretisch raamwerk voor plasma-oscillaties vastgesteld waarbij de eigenschappen van de oscillaties volledig onafhankelijk zijn van het plasma waarin ze voorkomen.

"Stel je een snelle pluk van een gitaarsnaar voor, waarbij de impuls zich langs de snaar voortplant met een snelheid die wordt bepaald door de spanning en diameter van de snaar", zegt Palastro. "We hebben een manier gevonden om een ​​plasma te 'plukken', zodat de golven onafhankelijk van de analoge spanning en diameter bewegen."

Binnen hun theoretisch raamwerk zou de amplitude van de oscillaties in een vacuüm sneller kunnen reizen dan de snelheid van het licht, of volledig tot stilstand kunnen komen, terwijl het plasma zelf in een geheel andere richting beweegt.

Het onderzoek heeft een verscheidenheid aan veelbelovende toepassingen, met name bij het helpen bereiken van schone, commerciële fusie-energie.

Co-auteur Alexey Arefiev, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Californië, San Diego, zegt:"Dit nieuwe type oscillatie kan gevolgen hebben voor fusiereactoren, waar het verzachten van plasma-oscillaties de opsluiting kan vergemakkelijken die nodig is voor een hoog rendement. energieopwekking."

Meer informatie: J. P. Palastro et al, Space-Time Structured Plasma Waves, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.095101

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit van Rochester