Большинству людей известны твердые тела, жидкости и газы как три основных состояния материи, но существует и четвертое состояние материи. Плазма, также известная как ионизированный газ, является наиболее распространенной и наблюдаемой формой материи в нашей Вселенной, обнаруженной на Солнце и других небесных телах.
Создание горячей смеси свободно движущихся электронов и ионов, составляющих плазму, часто требует экстремальных давлений или температур. В этих экстремальных условиях исследователи продолжают открывать неожиданные способы, которыми плазма может двигаться и развиваться. Лучше понимая движение плазмы, ученые получают ценную информацию о физике солнца, астрофизике и термоядерном синтезе.
В статьеexternal link, opens in a new tab, опубликованной в журнале Physical Review Letters , исследователи из Рочестерского университета вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего открыли новый класс плазменных колебаний — возвратно-поступательное волнообразное движение электронов и ионов. Результаты имеют значение для улучшения производительности миниатюрных ускорителей частиц и реакторов, используемых для создания термоядерной энергии.
«Этот новый класс плазменных колебаний может демонстрировать необычайные свойства, которые открывают двери для инновационных достижений в области ускорения частиц и термоядерного синтеза», — говорит Джон Паластро, старший научный сотрудник Лаборатории лазерной энергетики, доцент кафедры машиностроения и доцент Института оптики.
Эволюция усредненной по циклу плотности энергии для обычной и пространственно-временной структурированной плазменной волны. Обычная плазменная волна (слева) дифрагирует, распространяясь слева направо с номинальной групповой скоростью v n . Номинальная групповая скорость определяется условиями плазмы и параллельна фазовой скорости v 0 . Пиковая плотность энергии СТП (справа) движется в направлении, противоположном номинальной групповой скорости и фазовой скорости, сохраняя при этом постоянный пространственно-временной профиль. Фото: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.095101.Плазменные волны с собственным разумом
Одним из свойств, характеризующих плазму, является ее способность поддерживать коллективное движение, при котором электроны и ионы колеблются в унисон. Эти колебания подобны ритмичному танцу. Точно так же, как танцоры реагируют на движения друг друга, заряженные частицы в плазме взаимодействуют и колеблются вместе, создавая скоординированное движение.
Свойства этих колебаний традиционно связывались со свойствами — такими как температура, плотность или скорость — плазмы в целом. Однако Паластро и его коллеги определили теоретическую основу плазменных колебаний, в которой свойства колебаний полностью независимы от плазмы, в которой они существуют.
«Представьте себе быстрое передергивание гитарной струны, при котором импульс распространяется вдоль струны со скоростью, определяемой натяжением и диаметром струны», — говорит Паластро. «Мы нашли способ «вырвать» плазму, так что волны движутся независимо от аналогичного напряжения и диаметра».
В рамках их теоретической основы амплитуда колебаний может двигаться быстрее скорости света в вакууме или полностью останавливаться, в то время как сама плазма движется в совершенно другом направлении.
Исследование имеет множество многообещающих применений, в первую очередь для достижения экологически чистой и коммерческой термоядерной энергии.
«Этот новый тип колебаний может иметь значение для термоядерных реакторов, где смягчение плазменных колебаний может облегчить удержание, необходимое для высокоэффективных ядерных реакторов» - говорит соавтор Алексей Арефьев, профессор машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Сан-Диего.
