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| Plasma test in the MAST tokamak, a plasma fusion chamber. (Dobbin74/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0) |
Fases topológicas y correspondencia entre los bordes de los plasmas fríos magnetizados
Los plasmas se han estudiado recientemente como materiales topológicos. Sin embargo, todavía falta una imagen completa de las fases topológicas y de las transiciones de fase topológicas en los plasmas magnetizados en frío. En este trabajo, se trazan sistemáticamente todas las fases topológicas y se establece la correspondencia bulto-borde en los plasmas magnetizados en frío. Encontramos que para los modos propios lineales, hay 10 fases topológicas en el espacio de parámetros de la densidad n, el campo magnético B, y el número de onda paralelo kz, separados por las superficies de resonancia de onda Langmuir-L, resonancia de onda Langmuir-ciclotrón, y campo magnético cero. Para B y kz fijos, sólo la transición de fase en la resonancia onda Langmuir-onda ciclotrón corresponde a modos de borde. Se da una condición suficiente y necesaria para la existencia de este tipo de modos de borde y se verifica mediante soluciones numéricas. Demostramos que los modos de borde existen no sólo en una interfaz plasma-vacío sino también en interfaces más generales plasma-plasma. Este hallazgo amplía las posibles aplicaciones de estas excitaciones exóticas en plasmas espaciales y de laboratorio.
Una nueva forma de clasificar el plasma magnetizado ha permitido descubrir 10 fases topológicas del plasma hasta ahora desconocidas.
Conocer mejor estas fases, y en concreto las transiciones entre ellas, podría ayudar a los físicos del plasma a perseguir la ballena blanca de la energía: la fusión del plasma. Esto se debe a que las transiciones entre ellas admiten modos de borde, u ondas en la intersección de las superficies del plasma.
Estas excitaciones exóticas podrían ampliar los posibles usos prácticos del plasma magnetizado.
"Estos hallazgos podrían conducir a posibles aplicaciones de estas excitaciones exóticas en los plasmas espaciales y de laboratorio", dijo el físico Yichen Fu, del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL).
"El siguiente paso es explorar qué podrían hacer estas excitaciones y cómo podrían utilizarse".
Las investigaciones recientes han comenzado a considerar el plasma topológicamente, es decir, estudiando las formas de las ondas en su interior.
Sin embargo, las fases topológicas en el plasma frío magnetizado, y las transiciones entre ellas, no se han explorado de forma exhaustiva. Esto es importante, porque puede ayudarnos a entender cómo el plasma interactúa consigo mismo.
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| Diagrama de las fases topológicas. (Fu & Qin, Nature Communications, 2021) |
Fu y su colega, el físico del PPPL Hong Qin, intentaron describir matemáticamente las fases topológicas de un plasma frío en un campo magnético uniforme. Encontraron 10 nuevas fases diferentes, separadas por modos de borde, el límite entre dos regiones topológicamente diferentes dentro del plasma. Los estudios numéricos verificaron los hallazgos de la pareja.
"El descubrimiento de las 10 fases en el plasma supone un avance fundamental en la física del plasma", afirma Qin.
"El primer y principal paso en cualquier esfuerzo científico es clasificar los objetos investigados. Cualquier nuevo esquema de clasificación conducirá a la mejora de nuestra comprensión teórica y a los subsiguientes avances en la tecnología".
En el artículo no se especula sobre cuáles podrían ser esos avances, pero hay algunas posibilidades interesantes. El plasma suele denominarse el cuarto estado de la materia, un gas en el que los electrones han sido despojados de los átomos que lo componen, formando un material ionizado.
Es abundante en el espacio; de hecho, es el estado de la materia que se encuentra en las estrellas, lo que es clave para una potencial tecnología de plasma.
En las profundidades de sus núcleos de plasma, las estrellas fusionan núcleos para formar elementos más pesados, un proceso que genera enormes cantidades de energía. Los científicos han estado trabajando en la fusión de plasma aquí en la Tierra como una forma de producción de energía que será limpia y prácticamente ilimitada.
Como se puede imaginar, esto es extremadamente difícil. Tenemos que ser capaces de mantener un plasma estable a temperaturas más calientes que el Sol durante el tiempo suficiente para generar y extraer energía. Hay muchos obstáculos, por lo que estamos bastante lejos de ese objetivo, pero entender mejor el plasma sólo puede acercarnos.
Esta investigación representa un paso en esa dirección.
"El avance más importante del trabajo es observar el plasma a partir de sus propiedades topológicas e identificar sus fases topológicas", dijo Fu.
"A partir de estas fases identificamos las condiciones necesarias y suficientes para las excitaciones de estas ondas localizadas". En cuanto a cómo se puede aplicar este avance para facilitar la investigación sobre la energía de fusión, tenemos que averiguarlo".
Fuentes, créditos y referencias:
La investigación se ha publicado en Nature Communications.
Originalmente publicado en ScienceAlert