Un potente motor se agita profundamente bajo nuestros pies, convertir la energía del núcleo de la Tierra en campos magnéticos que nos protegen del viento solar. Motores similares impulsan la actividad magnética del sol, otras estrellas e incluso otros planetas, todos los cuales crean campos magnéticos que se refuerzan y retroalimentan los motores para mantenerlos en funcionamiento.

Mucho sobre estos motores, que los científicos denominan dínamos, permanece desconocido. Eso es en parte porque las matemáticas detrás de ellos son doblemente difíciles, combinando las complejas ecuaciones del movimiento de los fluidos con las ecuaciones que gobiernan cómo se doblan los campos eléctricos y magnéticos, giro, interactuar y propagarse. Pero también se debe a que las dínamos de laboratorio que intentan imitar las versiones astrofísicas, son caros, peligrosos y aún no producen de manera confiable los campos magnéticos autosuficientes característicos de dínamos reales.

Ahora, Víctor Galitski, miembro del Joint Quantum Institute (JQI), en colaboración con otros dos científicos, ha propuesto un nuevo enfoque radical para estudiar dínamos, uno que podría ser más simple y seguro. La propuesta, que se publicó el 25 de octubre en Cartas de revisión física , sugiere aprovechar los electrones en un trozo de materia sólida del tamaño de un centímetro para emular los flujos de fluido en dínamos ordinarios.

Si tal experimento tiene éxito, En el futuro, los investigadores podrían estudiar la dínamo de la Tierra más de cerca, y tal vez incluso aprender más sobre los cambios de campo magnético que ocurren cada 100. 000 años más o menos. "La dinámica de la dínamo de la Tierra no se comprende bien, y tampoco la dinámica de estos giros, "dice Galitski, quien también es profesor de física en la Universidad de Maryland. "Si tuviéramos experimentos que pudieran reproducir algunos aspectos de esa dínamo, eso sería muy importante ".

Tales experimentos no serían posibles de no ser por el hecho de que los electrones, que llevan corriente a través de un material, a veces se puede considerar como un fluido. Fluyen de alto potencial a bajo potencial, como el agua por una colina, y pueden fluir a diferentes velocidades. El truco para detectar el efecto dínamo en un fluido de electrones es hacer que fluyan lo suficientemente rápido sin derretir el material.

"La gente realmente no ha pensado en hacer estos experimentos en sólidos con fluidos de electrones, ", Dice Galitski." En este trabajo no imaginamos tener un sistema enorme, pero creemos que es posible inducir flujos muy rápidos ".

Esos flujos rápidos serían interesantes por derecho propio, Galitski dice:pero son especialmente importantes para realizar el efecto dínamo en el laboratorio. A pesar de las muchas incógnitas persistentes acerca de las dínamos, parece que la turbulencia juega un papel crucial en su creación. Es probable que esto se deba a que la turbulencia, que conduce a un movimiento caótico de fluidos, puede empujar el campo magnético suelto del resto del fluido, haciendo que se tuerza y ​​se doble sobre sí mismo y aumente su fuerza.

Pero la turbulencia solo surge para flujos muy rápidos, como el aire que se precipita sobre el ala de un avión, o para flujos a escalas muy grandes, como el metal líquido en el núcleo de la Tierra o la capa de plasma del sol. Para crear una dínamo con un pequeño trozo de materia sólida, los electrones tendrían que moverse a velocidades nunca antes vistas, incluso en materiales conocidos por tener electrones muy móviles.

Galitski y sus colaboradores piensan que un material llamado semimetal de Weyl puede albergar un fluido de electrones que fluye a más de un kilómetro por segundo, potencialmente lo suficientemente rápido como para generar la turbulencia necesaria para arrancar una dínamo. Estos materiales han recibido una amplia atención en los últimos años debido a sus características inusuales, incluidas las corrientes anómalas que surgen en presencia de campos magnéticos y que pueden reducir la velocidad requerida para que surjan las turbulencias.

"Puede parecer que la turbulencia no es particularmente extraordinaria, "dice Sergey Syzranov, un coautor y ex investigador postdoctoral de JQI que ahora es profesor asistente de física en la Universidad de California, Santa Cruz. "Pero en los sólidos, hasta donde sabemos, nunca se ha demostrado. Un logro importante de nuestro trabajo es que la turbulencia es realista en algunos materiales de estado sólido".

Los autores dicen que aún no está claro cuál es la mejor manera de poner en marcha una dínamo en una pequeña astilla de semimetal Weyl. Puede ser tan simple como rotar físicamente el material. O podría requerir la pulsación de un campo eléctrico o magnético. De cualquier manera, Galitski dice:la firma experimental mostraría un sistema totalmente no magnético formando espontáneamente un campo magnético. "Experimentos controlados como estos con turbulencia en los electrones son totalmente desconocidos, "Dice Galitski." Realmente no puedo decir qué saldrá de eso, pero podría ser realmente interesante ".