Un potente motore rotea in profondità sotto i nostri piedi, convertire l'energia nel nucleo terrestre in campi magnetici che ci proteggono dal vento solare. Motori simili guidano l'attività magnetica del sole, altre stelle e persino altri pianeti, che creano tutti campi magnetici che si rafforzano e si alimentano nei motori per mantenerli in funzione.

Molto su questi motori, che gli scienziati chiamano dinamo, rimane sconosciuto. Questo è in parte perché la matematica dietro di loro è doppiamente difficile, combinando le complesse equazioni del moto dei fluidi con le equazioni che governano il modo in cui i campi elettrici e magnetici si piegano, intrecciare, interagire e propagarsi. Ma è anche perché le dinamo legate al laboratorio, che tentano di imitare le versioni astrofisiche, sono costose, pericolosi e non producono ancora in modo affidabile i campi magnetici autosufficienti caratteristici delle vere dinamo.

Ora, Victor Galitski, un membro del Joint Quantum Institute (JQI), in collaborazione con altri due scienziati, ha proposto un approccio radicalmente nuovo allo studio delle dinamo, uno che potrebbe essere più semplice e sicuro. La proposta, che è stato pubblicato il 25 ottobre in Lettere di revisione fisica , suggerisce di imbrigliare gli elettroni in un pezzo di materia solida delle dimensioni di un centimetro per emulare i flussi di fluido nelle normali dinamo.

Se un tale esperimento ha successo, potrebbe essere possibile per i ricercatori in futuro studiare più da vicino la dinamo terrestre e forse anche saperne di più sui capovolgimenti del campo magnetico che si verificano ogni 100, 000 anni o giù di lì. "Le dinamiche della dinamo terrestre non sono ben comprese, e nemmeno le dinamiche di questi ribaltamenti, "dice Galitski, che è anche professore di fisica all'Università del Maryland. "Se avessimo degli esperimenti in grado di riprodurre alcuni aspetti di quella dinamo, sarebbe molto importante".

Tali esperimenti non sarebbero possibili se non per il fatto che gli elettroni, che trasportano corrente attraverso un materiale, a volte può essere pensato come un fluido. Scorrono da alto potenziale a basso potenziale, proprio come l'acqua giù per una collina, e possono fluire a velocità diverse. Il trucco per individuare l'effetto dinamo in un fluido elettronico è farli fluire abbastanza velocemente senza fondere il materiale.

"La gente non ha davvero pensato di fare questi esperimenti su solidi con fluidi elettronici, " dice Galitski. "In questo lavoro non immaginiamo di avere un sistema enorme, ma pensiamo che sia possibile indurre flussi molto veloci".

Quei flussi veloci sarebbero interessanti di per sé, Galitski dice, ma sono particolarmente importanti per realizzare l'effetto dinamo in laboratorio. Nonostante le molte incognite persistenti sulle dinamo, sembra che la turbolenza giochi un ruolo cruciale nella loro creazione. Ciò è probabilmente dovuto alla turbolenza, che porta a un movimento fluido caotico, può spingere il campo magnetico sciolto dal resto del fluido, facendolo torcere e piegare su se stesso e aumentare la sua forza.

Ma la turbolenza sorge solo per flussi molto veloci, come l'aria che scorre sull'ala di un aeroplano, o per flussi su scale molto grandi, come il metallo liquido nel nucleo terrestre o il guscio di plasma del sole. Per creare una dinamo usando un piccolo pezzo di materia solida, gli elettroni avrebbero bisogno di muoversi a velocità mai viste prima, anche in materiali noti per avere elettroni altamente mobili.

Galitski e i suoi collaboratori pensano che un materiale chiamato semimetallo Weyl potrebbe essere in grado di ospitare un fluido di elettroni che scorre a più di un chilometro al secondo, potenzialmente abbastanza veloce da generare la turbolenza necessaria per avviare una dinamo. Questi materiali hanno ricevuto ampia attenzione negli ultimi anni per le loro caratteristiche insolite, comprese le correnti anomale che si generano in presenza di campi magnetici e che possono ridurre la velocità necessaria all'insorgere della turbolenza.

"Potrebbe sembrare che la turbolenza non sia particolarmente straordinaria, "dice Sergey Syzranov, un coautore ed ex ricercatore post-dottorato JQI che ora è assistente professore di fisica presso l'Università della California, Santa Cruz. "Ma nei solidi non è mai stato dimostrato a nostra conoscenza. Un risultato importante del nostro lavoro è che la turbolenza è realistica in alcuni materiali allo stato solido".

Gli autori affermano che non è ancora chiaro il modo migliore per avviare una dinamo su una piccola scheggia di semimetallo Weyl. Può essere semplice come ruotare fisicamente il materiale. Oppure potrebbe richiedere la pulsazione di un campo elettrico o magnetico. In entrambi i casi, Galitski dice, la firma sperimentale mostrerebbe che un sistema totalmente non magnetico forma spontaneamente un campo magnetico. "Esperimenti controllati come questi con turbolenza negli elettroni sono totalmente sconosciuti, " dice Galitski. "Non posso davvero dire cosa ne verrà fuori, ma potrebbe essere davvero interessante."