Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nhóm nghiên cứu đã dự đoán sự hiện diện của sóng điện từ ‘được bảo vệ tôpô’ lan truyền trên bề mặt của plasma, có thể giúp thiết kế các hệ thống plasma mới như lò phản ứng nhiệt hạch.
Gần 50 năm trước, nhà vật lý Michael Kosterlitz của Đại học Brown đã sử dụng toán học cấu trúc liên kết – nghiên cứu về cách các vật thể có thể bị biến dạng bằng cách kéo dài hoặc xoắn nhưng không xé hoặc vỡ – để giải thích sự thay đổi pha khó hiểu trong một số loại vật chất. Công trình đã giành được cho Kosterlitz một phần giải thưởng Nobel Vật lý năm 2016 và đã dẫn đến việc phát hiện ra các hiện tượng tôpô trong tất cả các loại hệ thống, từ các màng mỏng chỉ dẫn điện quanh rìa của chúng, đến các sóng lạ lan truyền trong đại dương và bầu khí quyển đường xích đạo của trái đất.
Bây giờ một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm một nhà vật lý Brown khác đã thêm một hiện tượng tôpô mới vào danh sách ngày càng phát triển đó. Trong nghiên cứu lý thuyết mới, nhóm nghiên cứu cho thấy sóng điện từ có nguồn gốc tôpô nên có mặt trên bề mặt của plasma – súp nóng của khí ion hóa. Nếu lý thuyết chứng minh là đúng, những sóng đó có thể cung cấp một cách mới cho các nhà khoa học thăm dò các tính chất của plasma, được tìm thấy trong mọi thứ, từ bóng đèn huỳnh quang đến các ngôi sao.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Jeffrey Parker, một nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, hợp tác với Brad Marston, giáo sư vật lý tại Brown và những người khác. Bài viết được xuất bản trong Thư đánh giá vật lý (Physical Review Letters).
Các sóng được gọi là các phân cực plasmon dạng khí, lan truyền dọc theo giao diện của plasma và môi trường xung quanh khi hệ thống tiếp xúc với từ trường mạnh. Marston nói rằng điều thú vị về các sóng này là chúng được “bảo vệ theo cấu trúc liên kết”, nghĩa là chúng vốn có trong hệ thống và có khả năng chống lại sự phân tán của tạp chất.
Bất cứ khi nào chúng ta có một làn sóng được bảo vệ chống lại sự tán xạ, điều đó có nghĩa là chúng có thể giữ nguyên vẹn trên một khoảng cách dài. Là một vấn đề thực tế, các nhà khoa học hy vọng rằng chúng có thể được sử dụng để chẩn đoán trạng thái plasma. Một trong những vấn đề lớn trong vật lý plasma là tìm ra trạng thái của plasma mà không làm phiền nó. Nếu chúng ta dính vào đầu dò, chúng ta có thể sử dụng các sóng này để phân biệt trạng thái của plasma mà không làm phiền nó.
Một cách để suy nghĩ về bảo vệ tôpô là một cái gì đó được gọi là định lý bóng lông. Hãy tưởng tượng một quả bóng phủ đầy lông dài. Nếu một người cố gắng chải những sợi tóc đó xuống, sẽ luôn có ít nhất một điểm trên quả bóng nơi những sợi lông không nằm thẳng.
Điểm này sẽ luôn ở đó. Chúng ta có thể di chuyển nó xung quanh, nhưng cách duy nhất để loại bỏ nó là xé một ít tóc ra. Nhưng hãy loại bỏ thứ gì đó bạo lực như thế, nếu chúng ta cứ thao túng nó liên tục mà không làm rách bất cứ thứ gì, sẽ luôn luôn là một cơn lốc.
Vòng xoáy hiện tại trên quả bóng lông tương tự như toán học với sóng trên bề mặt plasma.
Trong trường hợp này, luôn có một cơn lốc nhưng nó nằm trong không gian số sóng, bước sóng của các sóng khác nhau. Nó hơi trừu tượng hơn trong không gian thực, nhưng toán học phần lớn tương tự nhau.
Đã xác định được cơ sở lý thuyết cho các sóng này, bước tiếp theo là thực hiện các thí nghiệm để xác nhận rằng chúng thực sự ở đó. Marston và các đồng nghiệp gần đây đã giành được một khoản trợ cấp hạt giống từ Brown để giúp họ làm điều đó. Với sự giúp đỡ của các nhà nghiên cứu tại Cơ sở Vật lý Plasma cơ bản của UCLA, Marston và các đồng nghiệp của ông có kế hoạch thực hiện các thí nghiệm để phát hiện các sóng này.
Cuối cùng, Marston hy vọng rằng việc phát hiện ra những sóng này có thể là một lợi ích cho vật lý plasma, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn và kiểm soát các hệ thống plasma. Một lĩnh vực chính mà Marston quan tâm là các lò phản ứng nhiệt hạch plasma. Các lò phản ứng như vậy một ngày nào đó có thể khai thác phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra nguồn năng lượng sạch dồi dào, nhưng cho đến nay các hệ thống plasma đã được chứng minh là khó kiểm soát.
“Về lâu dài, chúng tôi hy vọng điều này có thể tạo ra tác động đến năng lượng nhiệt hạch”, Marston chia sẻ. “Nếu chúng ta có thể sử dụng các sóng này để phân biệt các trạng thái của plasma, nó có thể giúp thiết kế một lò phản ứng nhiệt hạch ổn định và có thể tạo ra năng lượng.”
Nhưng hiện tại, Marston và các đồng nghiệp đang mong chờ được thực hiện thí nghiệm của họ.
Nếu chúng ta có thể chứng minh những điều này bằng thực nghiệm, mọi người trong cộng đồng plasma sẽ hy vọng bắt đầu chú ý hơn đến ý tưởng này.
Các đồng tác giả khác của bài báo là Steven Tobias và Ziyan Zhu.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Brown . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :