För nästan 50 år sedan, Brown University -fysikern Michael Kosterlitz och hans kollegor använde topologiens matematik - studiet av hur objekt kan deformeras genom att sträcka eller vrida men inte riva eller bryta - för att förklara förbryllande fasförändringar i vissa typer av materia. Arbetet vann Kosterlitz en del av Nobelpriset i fysik 2016 och har lett till upptäckten av topologiska fenomen i alla typer av system, från tunna filmer som leder elektricitet bara runt kanterna, till konstiga vågor som sprider sig i haven och atmosfären vid jordens ekvatorn.

Nu är ett team av forskare, inklusive en annan brun fysiker, har lagt till ett nytt topologiskt fenomen till den ständigt växande listan. I ny teoretisk forskning, teamet visar att elektromagnetiska vågor av topologiskt ursprung bör finnas på ytan av plasma - heta soppor av joniserad gas. Om teorin visar sig vara sann, dessa vågor kan ge ett nytt sätt för forskare att undersöka egenskaper hos plasma, som finns i allt från lysrör till stjärnor.

Forskningen leds av Jeffrey Parker, en forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory, i samarbete med Brad Marston, professor i fysik vid Brown, och andra. Tidningen publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Vågorna, kallas gasformiga plasmonpolaritoner, sprida sig längs gränssnittet för en plasma och dess omgivning när systemet utsätts för ett starkt magnetfält. Marston säger att det som är intressant med dessa vågor är att de är "topologiskt skyddade, "vilket betyder att de är inneboende i systemet och är resistenta mot att spridas av föroreningar.

"Varje gång du har en våg som är skyddad mot spridning, det betyder att de kan förbli intakta över en lång sträcka, "Sade Marston." Som en praktisk fråga, Vi hoppas att dessa kan användas för att diagnostisera plasmatillstånd. Ett av de stora problemen i plasmafysik är att räkna ut tillståndet för en plasma utan att störa den. Om du fastnar i en sond, du kommer att störa systemet. Vi kanske kan använda dessa vågor för att urskilja en plasmatillstånd utan att störa den. "

Ett sätt att tänka på topologiskt skydd, Marston säger, är något som kallas den håriga bollsetningen. Föreställ dig en boll täckt av långa hårstrån. Om man skulle försöka kamma ner dessa hårstrån, det kommer alltid att finnas minst en plats på bollen där håren inte ligger platta.

"Denna plats kommer alltid att finnas där, "Sa Marston." Du kan flytta runt det, men det enda sättet att bli av med det är att riva ut lite hår. Men utesluter något sådant våldsamt, om du bara manipulerar det kontinuerligt utan att riva något, det kommer alltid att finnas en virvel. "

Den ständigt närvarande virveln på den håriga bollen är matematiskt analog med vågorna på en plasmas yta, Säger Marston.

"I detta fall, det finns alltid en virvel men det är i vågnummersfältet, de olika vågornas våglängder, "sa han." Det är lite mer abstrakt än i det verkliga rummet, men matematiken är i stort sett lika. "

Efter att ha utarbetat den teoretiska grunden för dessa vågor, nästa steg är att utföra experiment för att bekräfta att de verkligen finns där. Marston och hans kollegor vann nyligen ett fröbidrag från Brown för att hjälpa dem att göra just det. Med hjälp av forskare vid UCLA:s Basic Plasma Physics Facility, Marston och hans kollegor planerar att utföra experiment för att upptäcka dessa vågor.

I sista hand, Marston hoppas att upptäckten av dessa vågor kan vara en välsignelse för plasmafysik, hjälpa forskare att bättre förstå och kontrollera plasmasystem. Ett stort område som Marston är intresserad av är plasmafusionsreaktorer. Sådana reaktorer kan en dag utnyttja kärnfusion för att producera ett överflöd av ren energi, men hittills har plasmasystemen visat sig vara svåra att kontrollera.

"I längden, vi hoppas att detta kan påverka fusionsenergin, "Sade Marston." Om vi ​​kan använda dessa vågor för att urskilja plasmas tillstånd, det kan hjälpa till att designa en fusionsreaktor som är stabil och kan producera energi. "

Men för nu, Marston och hans kollegor ser fram emot att utföra sina experiment.

"Om vi ​​kan demonstrera dessa saker experimentellt, människor i plasmasamhället kommer förhoppningsvis att börja ägna mer uppmärksamhet åt denna idé, " han sa.

Andra medförfattare på tidningen var Steven Tobias och Ziyan Zhu.