Открытие 10 фаз плазмы приведет к прогрессу в термоядерном синтезе

Ученые открыли новый способ классификации намагниченной плазмы, который, возможно, приведет к успехам в создании управляемого термоядерного синтеза. Открытие физиков-теоретиков из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) показало, что намагниченная плазма имеет 10 уникальных фаз, и переходы между ними могут иметь большое значение для практического развития.

Исследователи обнаружили, что пространственные границы или переходы между различными фазами будут поддерживать локализованные волновые возбуждения.

«Эти открытия могут привести к возможным применениям экзотических возбуждений в космической и лабораторной плазме», — сказал Ичен Фу, ведущий автор статьи в Nature Communications, в которой описывается исследование. «Следующий шаг — изучить, что могут делать эти возбуждения и как их можно использовать».

Возможные применения

Возможные применения включают использование возбуждений для создания тока в магнитной термоядерной плазме или облегчение вращения плазмы в термоядерных экспериментах.

Однако «наша статья не рассматривает никаких практических приложений», — сказал физик Хун Цинь, соавтор статьи. «Документ является базовой теорией, а технология будет следовать теоретическому пониманию».

Фактически, «открытие 10 фаз в плазме знаменует собой главное развитие физики плазмы», — сказал Цинь. «Первым и самым важным шагом в любом научном начинании является классификация исследуемых объектов. Любая новая схема классификации приведет к улучшению нашего теоретического понимания и последующему развитию технологий».

Хун Цинь приводит открытие основных типов диабета в качестве примера той роли, которую классификация играет в научном прогрессе. «При разработке методов лечения диабета ученые обнаружили, что существует три основных типа», — сказал он. «Теперь практикующие врачи могут эффективно лечить больных диабетом».

Термоядерный синтез, который ученые всего мира стремятся произвести на Земле, объединяет легкие элементы в виде плазмы — горячего заряженного состояния материи, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, составляющих 99 процентов видимой Вселенной, — чтобы высвободить огромное количество энергии. Термоядерный синтез может служить безопасным и чистым источником энергии для выработки электроэнергии в неограниченных количествах.

Плазменные фазы, которые обнаружили ученые PPPL, технически известны как «топологические фазы», ​​что указывает на форму волн, поддерживаемых плазмой. Это уникальное свойство материи было впервые обнаружено в области физики конденсированного состояния в 1970-х годах — открытие, за которое физик Дункан Холдейн из Принстонского университета получил Нобелевскую премию 2016 года.

Надежный и оригинальный

Локализованные плазменные волны, создаваемые фазовыми переходами, являются устойчивыми и внутренними, поскольку они «топологически защищены», — говорят ученые. «Открытие того, что это топологически защищенное возбуждение существует в намагниченной плазме, является большим шагом вперед, и его можно использовать в практических приложениях».

Наиболее важным прогрессом в статье является рассмотрение плазмы на основе ее топологических свойств и определение ее топологических фаз. На основе этих фаз ученые определяют необходимое и достаточное условие для возбуждения локализованных волн.

«Что касается того, как этот прогресс может быть использован для облегчения исследований в области термоядерной энергии, мы должны это выяснить» — говорят исследователи.

Статья об открытии была опубликована в Nature Communications.