Открыт новый класс колебаний плазмы
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи из Рочестерского университета вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего открыли новый класс плазменных колебаний — возвратно-поступательное волнообразное движение ионов и электронов. Результаты имеют значение для улучшения производительности миниатюрных ускорителей частиц и реакторов, используемых для создания термоядерной энергии.
Эволюция усредненной по циклу плотности энергии для обычной и пространственно-временной структурированной плазменной волны. Обычная плазменная волна (слева) дифрагирует, распространяясь слева направо с номинальной групповой скоростью vn. Номинальная групповая скорость определяется условиями плазмы и параллельна фазовой скорости v0. Пиковая плотность энергии СТП (справа) движется в направлении, противоположном номинальной групповой скорости и фазовой скорости, сохраняя при этом постоянный пространственно-временной профиль.
Фото: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.095101.
«Этот новый класс плазменных колебаний может демонстрировать необычайные свойства, которые открывают двери для инновационных достижений в области ускорения частиц и термоядерного синтеза», — говорит Джон Паластро, старший научный сотрудник Лаборатории лазерной энергетики, доцент кафедры машиностроения и доцент Института оптики.
Плазменные волны с собственным разумом
Одним из свойств, характеризующих плазму, является ее способность поддерживать коллективное движение, при котором электроны и ионы колеблются или колеблются в унисон. Эти колебания подобны ритмичному танцу. Точно так же, как танцоры реагируют на движения друг друга, заряженные частицы в плазме взаимодействуют и колеблются вместе, создавая скоординированное движение.
Свойства этих колебаний традиционно связывались со свойствами — такими как температура, плотность или скорость — плазмы в целом. Однако Паластро и его коллеги определили теоретическую основу плазменных колебаний, где свойства колебаний полностью независимы от плазмы, в которой они существуют.
«Представьте себе быстрое передергивание гитарной струны, при котором импульс распространяется вдоль струны со скоростью, определяемой натяжением и диаметром струны», — говорит Паластро. «Мы нашли способ «вырвать» плазму, так что волны движутся независимо от аналогичного напряжения и диаметра».
В рамках их теоретической основы амплитуда колебаний может двигаться быстрее скорости света в вакууме или полностью останавливаться, в то время как сама плазма движется в совершенно другом направлении.
Исследование имеет множество многообещающих применений, в первую очередь для достижения экологически чистой и коммерческой термоядерной энергии.
Соавтор Алексей Арефьев, профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Калифорнийском университете в Сан-Диего, говорит: «Этот новый тип колебаний может иметь значение для термоядерных реакторов, где смягчение плазменных колебаний может облегчить удержание, необходимое для высокоэффективной выработки энергии."
