En kraftfull motor ror djupt under våra fötter, omvandla energi i jordens kärna till magnetfält som skyddar oss från solvinden. Liknande motorer driver solens magnetiska aktivitet, andra stjärnor och till och med andra planeter - som alla skapar magnetfält som förstärker sig själva och matar tillbaka in i motorerna för att hålla dem igång.

Mycket om dessa motorer, som forskare kallar dynamos, förblir okänd. Det beror delvis på att matematiken bakom dem är dubbelt svår, kombinerar de komplexa ekvationerna för vätskerörelse med ekvationerna som styr hur elektriska och magnetiska fält böjer sig, vrida, interagera och sprida sig. Men det är också för att lab-bundna dynamos, som försöker efterlikna de astrofysiska versionerna, är dyra, farliga och producerar ännu inte tillförlitligt de självförsörjande magnetfälten hos riktiga dynamos.

Nu, Victor Galitski, Fellow vid Joint Quantum Institute (JQI), i samarbete med två andra forskare, har föreslagit en radikal ny strategi för att studera dynamos, en som kan vara enklare och säkrare. Förslaget, som publicerades 25 oktober Fysiska granskningsbrev , föreslår att man utnyttjar elektronerna i en centimeterstor bit av fast material för att efterlikna vätskeflödena i vanliga dynamos.

Om ett sådant experiment lyckas, det kan vara möjligt för forskare i framtiden att studera jordens dynamo närmare - och kanske till och med lära sig mer om magnetfältflips som händer var 100:e, 000 år eller så. "Dynamiken i jordens dynamo är inte väl förstådd, och inte heller dynamiken i dessa vändningar, "säger Galitski, som också är fysikprofessor vid University of Maryland. "Om vi ​​hade experiment som kunde återge vissa aspekter av den dynamon, det skulle vara väldigt viktigt. "

Sådana experiment skulle inte vara möjliga utan för att elektroner, som bär ström genom ett material, kan ibland ses som en vätska. De flyter från hög potential till låg potential, precis som vatten nerför en kulle, och de kan flöda med olika hastigheter. Tricket för att upptäcka dynamoeffekten i en elektronvätska är att få dem att flöda tillräckligt snabbt utan att smälta materialet.

"Folk har inte riktigt tänkt på att göra dessa experiment i fasta ämnen med elektronvätskor, "Säger Galitski." I det här arbetet kan vi inte tänka oss att ha ett stort system, men vi tror att det är möjligt att framkalla mycket snabba flöden. "

De snabba flödena skulle vara intressanta i sig, Galitski säger, men de är särskilt viktiga för att förverkliga dynamoeffekten i labbet. Trots de många kvarvarande okända om dynamos, det verkar som turbulens spelar en avgörande roll i deras skapande. Detta beror troligen på turbulens, vilket leder till kaotisk vätskerörelse, kan skada magnetfältet från resten av vätskan, får den att vridas och böja sig ovanpå sig själv och öka dess styrka.

Men turbulens uppstår bara för mycket snabba flöden - som luften som rusar över flygplanets vinge - eller för flöden över mycket stora skalor - som den flytande metallen i jordens kärna eller solens plasmaskal. För att skapa en dynamo med en liten bit fast material, elektronerna skulle behöva röra sig i hastigheter som aldrig tidigare setts, även i material som är kända för att ha mycket rörliga elektroner.

Galitski och hans medarbetare tror att ett material som kallas en Weyl-halvmetall kan vara värd för en elektronvätska som strömmar med mer än en kilometer per sekund - potentiellt tillräckligt snabbt för att generera den turbulens som krävs för att starta en dynamo. Dessa material har fått stor uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras ovanliga egenskaper, inklusive avvikande strömmar som uppstår i närvaro av magnetfält och som kan minska den hastighet som krävs för att turbulens ska uppstå.

"Det kan tyckas att turbulens inte är särskilt extraordinär, "säger Sergey Syzranov, en medförfattare och tidigare JQI postdoktoral forskare som nu är biträdande professor i fysik vid University of California, Santa Cruz. "Men i fasta ämnen har det aldrig visats till vår kunskap. En stor prestation av vårt arbete är att turbulens är realistisk i vissa solid-state-material."

Författarna säger att det ännu inte är klart hur man bäst startar en dynamo på en liten bit av Weyl -halvmetall. Det kan vara så enkelt som att fysiskt rotera materialet. Eller det kan kräva att ett elektriskt eller magnetiskt fält pulseras. Hur som helst, Galitski säger, den experimentella signaturen skulle visa ett totalt omagnetiskt system som spontant bildar ett magnetfält. "Kontrollerade experiment som dessa med turbulens i elektroner är helt okända, "Säger Galitski." Jag kan inte riktigt säga vad som kommer att komma ut av det, men det kan vara riktigt intressant. "