La mayoría de la gente conoce los sólidos, líquidos y gases como los tres estados principales de la materia, pero también existe un cuarto estado de la materia. El plasma, también conocido como gas ionizado, es la forma de materia observable más abundante en nuestro universo y se encuentra en el sol y otros cuerpos celestes.
Crear la mezcla caliente de electrones e iones que se mueven libremente y que componen un plasma a menudo requiere presiones o temperaturas extremas. En estas condiciones extremas, los investigadores continúan descubriendo formas inesperadas en que el plasma puede moverse y evolucionar. Al comprender mejor el movimiento del plasma, los científicos obtienen valiosos conocimientos sobre la física solar, la astrofísica y la fusión.
En un artículo publicado en Physical Review Letters , investigadores de la Universidad de Rochester, junto con colegas de la Universidad de California en San Diego, descubrieron una nueva clase de oscilaciones del plasma:el movimiento ondulatorio de electrones e iones de ida y vuelta. Los hallazgos tienen implicaciones para mejorar el rendimiento de los aceleradores de partículas en miniatura y los reactores utilizados para crear energía de fusión.
"Esta nueva clase de oscilaciones de plasma puede exhibir características extraordinarias que abren la puerta a avances innovadores en aceleración y fusión de partículas", dice John Palastro, científico senior del Laboratorio de Energética Láser, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica, y profesor asociado en el Instituto de Óptica.
Una de las propiedades que caracteriza a un plasma es su capacidad para soportar el movimiento colectivo, donde los electrones y los iones oscilan (o ondulan) al unísono. Estas oscilaciones son como una danza rítmica. Así como los bailarines responden a los movimientos de los demás, las partículas cargadas en un plasma interactúan y oscilan juntas, creando un movimiento coordinado.
Las propiedades de estas oscilaciones se han vinculado tradicionalmente a las propiedades (como la temperatura, la densidad o la velocidad) del plasma en su conjunto. Sin embargo, Palastro y sus colegas determinaron un marco teórico para las oscilaciones del plasma donde las propiedades de las oscilaciones son completamente independientes del plasma en el que existen.
"Imagínese un punteo rápido de la cuerda de una guitarra donde el impulso se propaga a lo largo de la cuerda a una velocidad determinada por la tensión y el diámetro de la cuerda", dice Palastro. "Hemos encontrado una manera de 'arrancar' un plasma, de modo que las ondas se muevan independientemente de la tensión y el diámetro análogos."
Dentro de su marco teórico, se podría hacer que la amplitud de las oscilaciones viajara más rápido que la velocidad de la luz en el vacío o se detuviera por completo, mientras que el propio plasma viaja en una dirección completamente diferente.
La investigación tiene una variedad de aplicaciones prometedoras, sobre todo para ayudar a lograr energía de fusión comercial y de combustión limpia.
El coautor Alexey Arefiev, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de California en San Diego, dice:"Este nuevo tipo de oscilación puede tener implicaciones para los reactores de fusión, donde mitigar las oscilaciones del plasma puede facilitar el confinamiento necesario para sistemas de alta eficiencia". generación de energía."
Más información: J. P. Palastro et al, Ondas de plasma estructuradas en el espacio-tiempo, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.095101
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Rochester
