Elektrisk ström finns överallt, från att driva hem till att styra plasma som driver fusionsreaktioner till att möjligen ge upphov till stora kosmiska magnetfält. Nu, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har funnit att elektriska strömmar kan bildas på sätt som inte tidigare varit kända. De nya fynden kan ge forskare större förmåga att föra fusionsenergin som driver solen och stjärnorna till jorden.

"Det är mycket viktigt att förstå vilka processer som producerar elektriska strömmar i plasma och vilka fenomen som kan störa dem, "sade Ian Ochs, doktorand vid Princeton Universitys program i plasmafysik och huvudförfattare till en uppsats vald som en artikel i Plasmas fysik . "De är det primära verktyget vi använder för att kontrollera plasma i magnetisk fusionsforskning."

Fusion är processen som slår ihop ljusa element i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - genererar massiva mängder energi. Forskare försöker replikera fusion för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

De oväntade strömmarna uppstår i plasma inom munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaker. Strömmarna utvecklas när en viss typ av elektromagnetisk våg, sådana som radioapparater och mikrovågsugnar avger, bildas spontant. Dessa vågor driver några av de redan rörliga elektronerna, "som åker vågen som surfare på en surfbräda, "sade Ochs.

Men frekvenserna för dessa vågor spelar roll. När frekvensen är hög, vågen får vissa elektroner att gå framåt och andra bakåt. De två rörelserna avbryter varandra och ingen ström uppstår.

Dock, när frekvensen är låg, vågorna skjuter fram på elektronerna och bakåt på atomkärnorna, eller joner, att skapa en netto elektrisk ström trots allt. Ochs fann att forskare överraskande kunde skapa dessa strömmar när lågfrekventa vågen var en viss typ som kallas en "jonakustisk våg" som liknar ljudvågor i luften.

Betydelsen av detta fynd sträcker sig från laboratoriets relativt små skala till kosmos stora skala. "Det finns magnetfält i hela universum på olika skalor, inklusive storleken på galaxer, och vi vet inte riktigt hur de kom dit, "Ochs sa." Mekanismen vi upptäckte kunde ha hjälpt frö kosmiska magnetfält, och alla nya mekanismer som kan producera magnetfält är intressanta för astrofysikgemenskapen. "

Resultaten från penna-och-papper-beräkningarna består av matematiska uttryck som ger forskare möjlighet att beräkna hur dessa strömmar, som uppstår utan att elektroner interagerar direkt, utvecklas och växa. "Formuleringen av dessa uttryck var inte okomplicerad, "Ochs sa." Vi var tvungna att kondensera resultaten så att de skulle vara tillräckligt tydliga och använda enkla uttryck för att fånga nyckelfysiken. "

Resultaten fördjupar förståelsen för ett grundläggande fysiskt fenomen och var också oväntade. De verkar motsäga den konventionella uppfattningen att strömdrivningar kräver elektronkollisioner, Ochs sa.

"Frågan om vågor kan driva någon ström i plasma är faktiskt mycket djup och går till de grundläggande interaktionerna mellan vågor i plasma, "sa Nathaniel Fisch, en medförfattare av tidningen, professor och docent vid Institutionen för astrofysiska vetenskaper, och chef för programmet i plasmafysik. "Vad Ochs härledde till mästerligt, didaktiskt sätt, med matematisk noggrannhet, var inte bara hur dessa effekter ibland är balanserade, men också hur dessa effekter ibland konspirerar för att tillåta bildning av elektriska nätströmmar. "

Dessa resultat lägger grunden för framtida forskning. "Det som speciellt upphetsar mig, Sa Fisch, "är att den matematiska formalismen som Ochs har byggt, tillsammans med de fysiska intuitioner och insikter som han har förvärvat, sätt honom nu i en position antingen för att utmana eller lägga en fast grund ännu mer nyfiket beteende i vågornas interaktioner med resonanta partiklar i plasma. "