De flesta känner till fasta ämnen, vätskor och gaser som de tre huvudsakliga tillstånden av materia, men ett fjärde tillstånd av materia finns också. Plasma – även känd som joniserad gas – är den mest förekommande, observerbara formen av materia i vårt universum, som finns i solen och andra himlakroppar.
Att skapa den heta blandningen av fritt rörliga elektroner och joner som utgör ett plasma kräver ofta extrema tryck eller temperaturer. Under dessa extrema förhållanden fortsätter forskare att avslöja de oväntade sätten att plasma kan röra sig och utvecklas. Genom att bättre förstå plasmans rörelse får forskare värdefulla insikter i solfysik, astrofysik och fusion.
I en artikel publicerad i Physical Review Letters , upptäckte forskare från University of Rochester, tillsammans med kollegor vid University of California, San Diego, en ny klass av plasmaoscillationer - den fram och tillbaka, vågliknande rörelsen av elektroner och joner. Fynden har konsekvenser för att förbättra prestandan hos miniatyrpartikelacceleratorer och de reaktorer som används för att skapa fusionsenergi.
"Denna nya klass av plasmaoscillationer kan uppvisa extraordinära egenskaper som öppnar dörren till innovativa framsteg inom partikelacceleration och fusion", säger John Palastro, senior forskare vid Laboratory for Laser Energetics, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik, och en docent vid Optikinstitutet.
En av egenskaperna som kännetecknar ett plasma är dess förmåga att stödja kollektiv rörelse, där elektroner och joner oscillerar – eller vågar – unisont. Dessa svängningar är som en rytmisk dans. Precis som dansare reagerar på varandras rörelser, interagerar och oscillerar de laddade partiklarna i ett plasma tillsammans, vilket skapar en koordinerad rörelse.
Egenskaperna hos dessa svängningar har traditionellt sett varit kopplade till egenskaperna – såsom temperaturen, densiteten eller hastigheten – hos plasmat som helhet. Palastro och hans kollegor fastställde dock ett teoretiskt ramverk för plasmaoscillationer där egenskaperna hos svängningarna är helt oberoende av plasman där de finns.
"Föreställ dig en snabb plockning av en gitarrsträng där impulsen fortplantar sig längs strängen med en hastighet som bestäms av strängens spänning och diameter", säger Palastro. "Vi har hittat ett sätt att 'plucka' en plasma, så att vågorna rör sig oberoende av den analoga spänningen och diametern."
Inom deras teoretiska ram kan svängningarnas amplitud fås att färdas snabbare än ljusets hastighet i ett vakuum eller stanna helt, medan själva plasmat färdas i en helt annan riktning.
Forskningen har en mängd lovande tillämpningar, framför allt för att hjälpa till att uppnå rent förbrännande, kommersiell fusionsenergi.
Medförfattare Alexey Arefiev, professor i maskin- och rymdteknik vid University of California, San Diego, säger:"Denna nya typ av svängning kan ha konsekvenser för fusionsreaktorer, där dämpande plasmaoscillationer kan underlätta den inneslutning som behövs för hög effektivitet kraftgenerering."
Mer information: J.P. Palastro et al, Space-Time Structured Plasma Waves, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.095101
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Rochester
