Hace casi 50 años, El físico de la Universidad de Brown Michael Kosterlitz y sus colegas utilizaron las matemáticas de la topología —el estudio de cómo los objetos se pueden deformar al estirarlos o torcerlos, pero no rasgarlos o romperlos— para explicar los desconcertantes cambios de fase en ciertos tipos de materia. El trabajo le valió a Kosterlitz una parte del Premio Nobel de Física 2016 y ha llevado al descubrimiento de fenómenos topológicos en todo tipo de sistemas. de películas delgadas que conducen electricidad solo alrededor de sus bordes, a ondas extrañas que se propagan en los océanos y la atmósfera en el ecuador de la Tierra.

Ahora un equipo de investigadores, incluido otro físico de Brown, ha agregado un nuevo fenómeno topológico a esa lista cada vez mayor. En una nueva investigación teórica, el equipo muestra que las ondas electromagnéticas de origen topológico deberían estar presentes en la superficie de los plasmas, sopas calientes de gas ionizado. Si la teoría resulta cierta, esas ondas podrían proporcionar una nueva forma para que los científicos prueben las propiedades de los plasmas, que se encuentran en todo, desde bombillas fluorescentes hasta estrellas.

La investigación fue dirigida por Jeffrey Parker, un científico investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en colaboración con Brad Marston, profesor de física en Brown, y otros. El artículo se publica en Cartas de revisión física .

Las olas, llamados polaritones de plasmón gaseoso, propagarse a lo largo de la interfaz de un plasma y sus alrededores cuando el sistema está expuesto a un fuerte campo magnético. Marston dice que lo interesante de estas ondas es que están "protegidas topológicamente, "lo que significa que están intrínsecamente presentes en el sistema y son resistentes a ser esparcidos por impurezas.

"Siempre que tengas una ola protegida contra la dispersión, significa que pueden permanecer intactos a larga distancia, ", Dijo Marston." En la práctica, esperamos que se puedan utilizar para diagnosticar estados plasmáticos. Uno de los grandes problemas de la física del plasma es averiguar el estado de un plasma sin alterarlo. Si clavas una sonda, vas a interrumpir el sistema. Podríamos utilizar estas ondas para discernir el estado de un plasma sin alterarlo ".

Una forma de pensar en la protección topológica, Marston dice:es algo conocido como el teorema de la bola peluda. Imagina una bola cubierta de pelos largos. Si uno intentara peinar esos cabellos, siempre habrá al menos un punto en la bola donde los pelos no quedarán planos.

"Este lugar siempre estará ahí, "Dijo Marston." Puedes moverlo, pero la única forma de deshacerse de él es arrancándole un poco de pelo. Pero salvo algo violento como eso, si lo manipula continuamente sin romper nada, siempre habrá un vórtice ".

El vórtice siempre presente en la bola peluda es matemáticamente análogo a las ondas en la superficie de un plasma, Dice Marston.

"En este caso, siempre hay un vórtice, pero está en el espacio del número de onda, longitudes de onda de las diferentes ondas, ", dijo." Es un poco más abstracto que en el espacio real, pero las matemáticas son muy similares ".

Habiendo desarrollado la base teórica de estas ondas, el siguiente paso es realizar experimentos para confirmar que realmente están ahí. Marston y sus colegas ganaron recientemente una subvención inicial de Brown para ayudarlos a hacer precisamente eso. Con la ayuda de investigadores de la Instalación de Física Básica del Plasma de UCLA, Marston y sus colegas planean realizar experimentos para detectar estas ondas.

Por último, Marston espera que el descubrimiento de estas ondas pueda ser de gran ayuda para la física del plasma, ayudando a los científicos a comprender y controlar mejor los sistemas de plasma. Un área importante en la que Marston está interesado son los reactores de fusión de plasma. Esos reactores podrían algún día aprovechar la fusión nuclear para producir una abundancia de energía limpia, pero hasta ahora los sistemas de plasma han resultado difíciles de controlar.

"A largo plazo, esperamos que esto pueda tener un impacto en la energía de fusión, "Dijo Marston." Si podemos usar estas ondas para discernir los estados de los plasmas, podría ayudar a diseñar un reactor de fusión que sea estable y capaz de producir energía ".

Pero por ahora, Marston y sus colegas esperan poder realizar sus experimentos.

"Si podemos demostrar estas cosas de forma experimental, Es de esperar que las personas de la comunidad del plasma comiencen a prestar más atención a esta idea, " él dijo.

Otros coautores del artículo fueron Steven Tobias y Ziyan Zhu.