En camino a escribir su doctorado. disertación, Lucio Milanese hizo un descubrimiento, uno que reorientó su investigación, y ahora probablemente dominará su tesis.

Milanesa estudia el plasma, un flujo gaseoso de iones y electrones que comprende el 99 por ciento del universo visible, incluida la ionosfera de la Tierra, espacio interestelar, el viento solar, y el medio ambiente de las estrellas. Plasmas, como otros fluidos, se encuentran a menudo en un estado turbulento caracterizado por caóticos, movimiento impredecible, proporcionando múltiples desafíos a los investigadores que buscan comprender el universo cósmico o esperan aprovechar los plasmas ardientes para la energía de fusión.

Milanese está interesado en lo que el físico Richard Feynman llamó "el problema sin resolver más importante de la física clásica":la turbulencia. En este caso, el foco es la turbulencia del plasma, su naturaleza y estructura.

"Supongamos que revuelve una taza de té con una cuchara:está creando un vórtice, un remolino, a la escala de la taza. Este vórtice a gran escala eventualmente se divide en vórtices más pequeños, que se cortan en estructuras cada vez más pequeñas. Eventualmente, esta cascada generará estructuras lo suficientemente pequeñas que se disiparán y la energía se convertirá en calor ".

En un artículo publicado recientemente en Cartas de revisión de física , Milanese ofrece un mecanismo recientemente descubierto llamado "alineación de fase dinámica" para descubrir cómo la turbulencia transfiere energía de escalas grandes a escalas más pequeñas. Milanés, un doctorado en ciencias e ingeniería nucleares. candidato en el Plasma Science and Fusion Center, llama al descubrimiento un "bloque de construcción de una teoría general de la turbulencia".

"La turbulencia es compleja y caótica, pero no es completamente ilegal:la dinámica general debe obedecer algunas restricciones, ", dice Milanese." Una restricción mecánica universal es que la energía debe conservarse. En los sistemas que estudiamos, también existe una restricción topológica:la cantidad total de helicidad, el grado en que los vórtices se retuercen y espirales, se conserva ".

Milanese explica que estas dos declaraciones de conservación se aplican a todas las escalas físicas, excepto a las más pequeñas, donde la disipación ya no puede ser ignorada.

"Para los tipos de sistemas que son modelados por las ecuaciones que consideramos, y hay muchas, si tuviéramos que desarrollar un modelo de turbulencia que considere solo la conservación de la energía, inevitablemente terminaríamos violando la restricción sobre la conservación de la helicidad. Pudimos resolver esta aparente contradicción al descubrir el nuevo mecanismo de alineación dinámica de fase ".

Milanese ofrece así una explicación para un fenómeno generalmente observado que él llama "la cascada conjunta de energía y helicidad". Este tipo de patrón en cascada se observa en los sistemas de plasma que ha estado estudiando Milanese, como la ionosfera, el viento solar, y la corona solar.

Milanese observa que así como una cuchara aporta energía y helicidad a una taza de té, el movimiento del plasma en la superficie del sol "inyecta" estas cantidades en el viento solar y la corona del sol. Una vez que eso suceda y comience la cascada, la energía y la helicidad se conservan hasta que los vórtices turbulentos se disipan.

En los sistemas de plasma que exploró Milanese, la cantidad de helicidad (torsión) está determinada por cuán estrechamente correlacionadas están las fluctuaciones de los campos magnético y eléctrico. A gran escala, cuando hay una cantidad significativa de helicidad en el sistema, Es estadísticamente probable que si el potencial eléctrico (el voltaje) es grande, la fluctuación del potencial magnético local también será grande. A medida que las estructuras de gran escala se rompen en estructuras de menor escala, esto cambia progresivamente, y es cada vez más probable que si el potencial eléctrico es localmente grande, la fluctuación del potencial magnético será pequeña, cerca de cero (y viceversa).

"Descubrimos que a medida que las estructuras a gran escala se rompen en estructuras a menor escala, las fluctuaciones de potencial magnético y eléctrico se vuelven progresivamente más correlacionadas. Este es un ejemplo notable de cómo los plasmas turbulentos pueden autoorganizarse para respetar las limitaciones mecánicas y topológicas ".

El descubrimiento de esta alineación de fase dinámica proporciona una nueva lente a través de la cual ver otros sistemas turbulentos. Milanese y sus colegas encontraron que las ecuaciones modelo que adoptaron para describir los plasmas son matemáticamente idénticas a las que describen la dinámica de rotación rápida, Flujos de fluidos no ionizados, como huracanes y tornados.

El descubrimiento de este nuevo paradigma se basa en un marco teórico desarrollado por su asesor, Profesor Nuno Loureiro, y el colaborador de Loureiro, el profesor Stanislav Boldyrev de la Universidad de Wisconsin en Madison, describir la dinámica de los plasmas hechos de electrones y positrones, las antipartículas de los electrones. Milanese comenzó a trabajar con Maximilian Daschner, un estudiante de intercambio de ETH Zurich, para probar la validez de este marco teórico a través de simulaciones numéricas.

"Fue un buen proyecto numérico para un UROP", dice Milanese. "Pensamos que terminaríamos en seis meses y publicaríamos un artículo. Pero luego, dos años después, todavía estábamos viendo resultados interesantes ".

Christopher Chen, Ernest Rutherford Fellow en la Facultad de Física y Astronomía, Universidad Queen Mary de Londres, y experto en observaciones de turbulencias en el viento solar, comenta sobre la importancia del descubrimiento.

"Comprender la turbulencia del plasma es una parte clave para resolver algunas de las preguntas de larga data en la astrofísica del plasma, como la forma en que se calienta la corona solar, cómo se genera el viento solar, cómo se crean los fuertes campos magnéticos en el universo, y cómo se aceleran las partículas energéticas. Los resultados de este trabajo son importantes, ya que proporcionan una nueva comprensión de los procesos universales clave que operan en tales plasmas. El documento también es significativo y oportuno, ya que hace predicciones que podemos probar con las naves espaciales Parker Solar Probe y Solar Orbiter. que están actualmente en camino para estudiar el sol de cerca ".

Mas cerca de casa, el trabajo es relevante para los próximos experimentos en el Instituto de Física del Plasma en Alemania. Estos experimentos atraparán una cantidad significativa de electrones y positrones en una jaula magnética, permitir a los investigadores estudiar las propiedades de dicho sistema, aunque a temperaturas mucho más bajas de lo que se suele observar en entornos astrofísicos. Milanese espera que el sistema sea turbulento y cree que podría usarse potencialmente como un banco de pruebas de laboratorio para sus ideas.

Milanese observa que un mayor estudio de la alineación dinámica de fase se ha convertido en la mayor parte de su disertación. Actualmente está trabajando para ampliar la aplicabilidad de este trabajo para incluir una gama mucho más amplia de fluidos que los tipos de plasma y fluidos de rotación rápida que ya ha explorado.

Pronto también ampliará su perspectiva. El próximo año se encontrará en la Universidad de Tsinghua en China como parte de la clase de Schwarzman Scholar de 2022. Este año, El programa de maestría en asuntos exteriores totalmente financiado le ofrecerá oportunidades en políticas públicas, ciencias económicas, negocio, y relaciones internacionales. Milanese espera explorar el lado comercial y político de la creación de una industria global de energía de fusión, una que dependa de la construcción de una comprensión avanzada de la turbulencia en los plasmas. que ha sido su enfoque principal.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.