Oavsett om du glider genom en stjärna eller en fusionsenhet på jorden, de elektriskt laddade partiklarna som utgör det fjärde tillståndet av materia bättre känt som plasma är bundna till magnetfältslinjer som pärlor på ett snöre. Tyvärr för plasmafysiker som studerar detta fenomen, magnetfältslinjerna saknar ofta enkla former som ekvationer enkelt kan modellera. Ofta vrider de sig och knyter sig som kringlor. Ibland, när linjerna blir särskilt vridna, de går isär och går ihop igen, sprutar ut plasmaklumpar och enorma mängder energi.

Nu, resultat från ett internationellt team av forskare ledda av US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) visar att de vridna magnetfälten kan utvecklas på bara så många sätt, med plasman inuti enligt en allmän regel. Så länge det är högt tryck på utsidan av plasman som trycker inåt, plasman kommer spontant att anta en munk, eller torus, form och ballong ut i horisontell riktning. Dock, den utåtriktade expansionen begränsas av den genomsnittliga mängden vridning i plasman, en egenskap som kallas "helicitet".

"Helicitet hindrar konfigurationen från att blåsa isär och tvingar den att utvecklas till denna självorganiserade, vriden struktur, säger Christopher Smiet, en fysiker vid PPPL och huvudförfattare till tidningen som rapporterar resultaten i Journal of Plasma Physics .

Fynden gäller hela skalan av plasmafenomen och kan ge insikt i magnetiska molns beteende, enorma massor av plasma som sänds ut från solen som kan expandera och kollidera med jordens eget magnetfält. I mild form, kollisionerna orsakar norrsken. Om kraftfull nog, dessa kollisioner kan störa satelliternas verksamhet och störa mobiltelefoner, globala positioneringssystem, och radio- och tv-signaler.

"Eftersom effekterna delvis orsakas av topologiska egenskaper som länkning och vridning som inte påverkas av form eller storlek, resultaten gäller både för yttre rymden plasmaplymer tusentals ljusår långa och centimeter långa strukturer i jordbundna fusionsanläggningar, säger Smiet.

Dessutom, "genom att studera magnetfältet i denna mer allmänna ram, vi kan lära oss nya saker om de självorganiserande processerna inom tokamaks och de instabiliteter som stör dem, säger Smiet.

Smiets framtida forskningsplaner går ut på att undersöka förändringar i länkning och kopplingar av fältlinjer i tokamaks under två typer av plasmainstabiliteter som kan hindra fusionsreaktioner. "Det är fascinerande vad du kan lära dig när du studerar hur knutar lossnar, säger Smiet.

Forskargruppen inkluderade forskare från Leiden University, det holländska institutet för grundläggande energiforskning, och University of California-Santa Barbara. Denna forskning stöddes av U.S.A. Department of Energy (Fusion Energy Sciences) och Rubicon-programmet som delvis finansieras av den nederländska organisationen för vetenskaplig forskning.