På vägen till att skriva sin doktorsexamen. avhandling, Lucio Milanese gjorde en upptäckt - en som fokuserade sin forskning på nytt, och kommer sannolikt att dominera hans avhandling.

Milanese studerar plasma, ett gasliknande flöde av joner och elektroner som omfattar 99 procent av det synliga universum, inklusive jordens jonosfär, interstellära rymden, solvinden, och stjärnmiljön. Plasma, som andra vätskor, finns ofta i ett turbulent tillstånd som kännetecknas av kaotisk, oförutsägbar rörelse, ger flera utmaningar till forskare som försöker förstå det kosmiska universum eller hoppas kunna utnyttja brinnande plasma för fusionsenergi.

Milanese är intresserad av vad fysikern Richard Feynman kallade "det viktigaste olösta problemet med klassisk fysik" - turbulens. I detta fall, fokus är plasmaturbulens, dess natur och struktur.

"Säg att du rör om en kopp te med en sked:Du skapar en virvel, en bubbelpool, på koppens skala. Denna storskaliga virvel bryts så småningom upp i mindre virvlar, som skärs in i ännu mindre och mindre strukturer. Så småningom kommer denna kaskad att generera tillräckligt små strukturer för att de ska spridas och energin kommer att förvandlas till värme. "

I en tidning som nyligen publicerades i Physics Review Letters , Milanese erbjuder en nyupptäckt mekanism som kallas "dynamisk fasjustering" för att avslöja hur turbulens överför energi från stora skalor till mindre skalor. Milanese, en kärnteknik och ingenjörsexamen kandidat vid Plasma Science and Fusion Center, kallar upptäckten en "byggsten för en allmän teori om turbulens".

"Turbulens är komplex och kaotisk, men det är inte helt laglöst:den övergripande dynamiken måste följa vissa begränsningar, "säger Milanese." En universell mekanisk begränsning är att energin måste bevaras. I de system vi studerar, Det finns också en topologisk begränsning:den totala mängden helicitet - i vilken grad virvlar vrider sig och spiraliseras - bevaras. "

Milanese förklarar att båda dessa bevarande uttalanden gäller i alla fysiska skalor utom de minsta, där spridning inte längre kan ignoreras.

"För de typer av system som modelleras av de ekvationer som vi betraktar - och det finns många - om vi skulle utveckla en turbulensmodell som endast beaktar energibesparing, vi skulle oundvikligen bryta mot begränsningen för bevarande av helicitet. Vi kunde lösa denna uppenbara motsägelse genom att avslöja den nya mekanismen för dynamisk fasjustering. "

Milanese erbjuder således en förklaring till ett allmänt observerat fenomen som han kallar "den gemensamma kaskaden av energi och helicitet". Denna typ av kaskadmönster observeras i plasmasystemen Milanese har studerat, som jonosfären, solvinden, och solkoronan.

Milanese konstaterar att precis som en sked ger energi och helicitet till en kopp te, rörelsen av plasma på solens yta "injicerar" dessa mängder i solvinden och solens korona. När det händer och kaskaden börjar, energin och heliciteten bevaras tills de turbulenta virvlarna försvinner.

I plasmasystemen som Milanese utforskade, mängden helicitet (vridning) bestäms av hur nära korrelerade fluktuationerna i magnetiska och elektriska fält är. I stor skala, när en betydande mängd helicitet finns i systemet, det är statistiskt troligt att om den elektriska potentialen - spänningen - är stor, den lokala magnetiska potentialfluktuationen kommer också att vara stor. När storskaliga strukturer bryts upp i småskaliga strukturer, detta förändras gradvis, och det blir mer och mer troligt att om den elektriska potentialen är lokalt stor, den magnetiska potentialfluktuationen kommer att vara liten, nära noll (och vice versa).

"Vi fann att när storskaliga strukturer bryts upp i strukturer i mindre skala, de magnetiska och elektriska potentialfluktuationerna blir gradvis mer korrelerade. Detta är ett anmärkningsvärt exempel på hur turbulenta plasma kan organisera sig själv för att respektera mekaniska och topologiska begränsningar. "

Upptäckten av denna dynamiska fasjustering ger ett nytt objektiv för att se andra turbulenta system. Milanese och hans kollegor fann att modellekvationerna som de antog för att beskriva plasma är matematiskt identiska med dem som beskriver dynamiken i snabbt roterande, icke-joniserade vätskeströmmar, som orkaner och tornado.

Upptäckten av detta nya paradigm bygger på en teoretisk ram utvecklad av hans rådgivare, Professor Nuno Loureiro, och Loureiros samarbetspartner professor Stanislav Boldyrev vid University of Wisconsin i Madison, för att beskriva dynamiken i plasma gjorda av elektroner och positroner - elektronernas antipartiklar. Milanese började arbeta med Maximilian Daschner, en utbytesstudent från ETH Zürich, att undersöka giltigheten av denna teoretiska ram genom numeriska simuleringar.

"Det var ett trevligt numeriskt projekt för en UROP" säger Milanese. "Vi trodde att vi skulle vara klara om sex månader och publicera ett papper. Men då, två år senare, vi tittade fortfarande på intressanta resultat. "

Christopher Chen, Ernest Rutherford -stipendiat vid School of Physics and Astronomy, Queen Mary University of London, och en expert på observationer av turbulens i solvinden, kommenterar betydelsen av upptäckten.

"Att förstå plasmaturbulens är en viktig del för att lösa några av de långvariga frågorna inom plasmaastrofysik, till exempel hur solkoronan värms upp, hur solvinden genereras, hur starka magnetfält i universum skapas, och hur energiska partiklar accelereras. Resultaten av detta dokument är viktiga, eftersom de ger en ny förståelse för de viktigaste universella processerna som fungerar i sådana plasma. Tidningen är också viktig och aktuell eftersom den gör förutsägelser som vi kan testa med rymdfarkosten Parker Solar Probe och Solar Orbiter, som just nu är på väg att studera solen på nära håll. "

Närmare hemmet, arbetet är relevant för kommande experiment vid Institute for Plasma Physics i Tyskland. Dessa experiment kommer att fånga betydande antal elektroner och positroner i en magnetisk bur, låta forskare studera egenskaperna hos ett sådant system, även om det är mycket lägre temperaturer än vad som vanligtvis observeras i astrofysiska miljöer. Milanese förväntar sig att systemet är turbulent och tror att det potentiellt kan användas som en laboratorietest för hans idéer.

Milanese konstaterar att ytterligare studier av dynamisk fasjustering har blivit huvuddelen av hans avhandling. Han arbetar för närvarande med att utöka tillämpningen av detta arbete till att omfatta ett mycket bredare utbud av vätskor än de typer av plasma och snabbt roterande vätskor han redan har undersökt.

Han kommer snart att vidga sitt perspektiv också. Nästa år kommer han att befinna sig vid Tsinghua University i Kina som en del av Schwarzman Scholar-klassen 2022. Detta ettåriga, fullt finansierat masterprogram i utrikesfrågor kommer att erbjuda honom möjligheter inom offentlig politik, ekonomi, företag, och internationella relationer. Milanese ser fram emot att utforska affärs- och policysidan för att skapa en global fusionsenergiindustri - en som är beroende av att bygga en avancerad förståelse för turbulens i plasma, vilket har varit hans främsta fokus.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.