Quasi 50 anni fa, Il fisico della Brown University Michael Kosterlitz e i suoi colleghi hanno usato la matematica della topologia, lo studio di come gli oggetti possono essere deformati allungandosi o torcendosi ma non strappandosi o rompendosi, per spiegare gli sconcertanti cambiamenti di fase in alcuni tipi di materia. Il lavoro ha portato a Kosterlitz una quota del Premio Nobel per la Fisica 2016 e ha portato alla scoperta di fenomeni topologici in tutti i tipi di sistemi, da pellicole sottili che conducono elettricità solo intorno ai loro bordi, a strane onde che si propagano negli oceani e nell'atmosfera all'equatore terrestre.

Ora un team di ricercatori, compreso un altro fisico Brown, ha aggiunto un nuovo fenomeno topologico a quell'elenco in continua crescita. Nella nuova ricerca teorica, il team mostra che le onde elettromagnetiche di origine topologica dovrebbero essere presenti sulla superficie dei plasmi, zuppe calde di gas ionizzato. Se la teoria si dimostra vera, quelle onde potrebbero fornire un nuovo modo per gli scienziati di sondare le proprietà dei plasmi, che si trovano in tutto, dalle lampadine fluorescenti alle stelle.

La ricerca è stata guidata da Jeffrey Parker, un ricercatore presso il Lawrence Livermore National Laboratory, in collaborazione con Brad Marston, un professore di fisica alla Brown, e altri. Il documento è pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Le onde, chiamati polaritoni plasmonici gassosi, propagarsi lungo l'interfaccia di un plasma e dei suoi dintorni quando il sistema è esposto a un forte campo magnetico. Marston dice che la cosa interessante di queste onde è che sono "topologicamente protette, " significa che sono intrinsecamente presenti nel sistema e sono resistenti alla dispersione delle impurità.

"Ogni volta che hai un'onda protetta dalla dispersione, significa che possono rimanere intatti su una lunga distanza, " Marston ha detto. "In pratica, speriamo che questi possano essere usati per diagnosticare gli stati del plasma. Uno dei grandi problemi della fisica del plasma è capire lo stato di un plasma senza disturbarlo. Se infili una sonda, stai per interrompere il sistema. Potremmo essere in grado di usare queste onde per discernere lo stato di un plasma senza disturbarlo".

Un modo per pensare alla protezione topologica, Marston dice, è qualcosa noto come il teorema della palla pelosa. Immagina una palla ricoperta di peli lunghi. Se uno cercasse di pettinare quei peli, ci sarà sempre almeno un punto sulla palla dove i peli non saranno piatti.

"Questo posto sarà sempre lì, " Marston ha detto. "Puoi spostarlo, ma l'unico modo per liberarsene è strappare un po' di capelli. Ma a parte qualcosa di violento come quello, se lo stai solo manipolando continuamente senza strappare nulla, ci sarà sempre un vortice".

Il vortice sempre presente sulla palla pelosa è matematicamente analogo alle onde sulla superficie di un plasma, dice Marston.

"In questo caso, c'è sempre un vortice ma è nello spazio dei numeri d'onda, lunghezze d'onda delle diverse onde, " ha detto. "È un po' più astratto che nello spazio reale, ma la matematica è in gran parte simile."

Dopo aver concretizzato le basi teoriche di queste onde, il passaggio successivo consiste nell'eseguire esperimenti per confermare che sono realmente presenti. Marston e i suoi colleghi hanno recentemente vinto una borsa di studio da Brown per aiutarli a fare proprio questo. Con l'aiuto dei ricercatori della Basic Plasma Physics Facility dell'UCLA, Marston e i suoi colleghi hanno in programma di eseguire esperimenti per rilevare queste onde.

In definitiva, Marston spera che la scoperta di queste onde possa essere un vantaggio per la fisica del plasma, aiutare gli scienziati a comprendere e controllare meglio i sistemi al plasma. Una delle aree principali a cui Marston è interessato sono i reattori a fusione al plasma. Tali reattori potrebbero un giorno sfruttare la fusione nucleare per produrre un'abbondanza di energia pulita, ma finora i sistemi al plasma si sono rivelati difficili da controllare.

"A lungo termine, speriamo che questo possa avere un impatto sull'energia da fusione, " disse Marston. "Se possiamo usare queste onde per discernere gli stati dei plasmi, potrebbe aiutare nella progettazione di un reattore a fusione stabile e in grado di produrre energia".

Ma per ora, Marston e i suoi colleghi non vedono l'ora di eseguire i loro esperimenti.

"Se possiamo dimostrare queste cose sperimentalmente, si spera che le persone nella comunità del plasma inizino a prestare maggiore attenzione a questa idea, " Egli ha detto.

Altri coautori del documento erano Steven Tobias e Ziyan Zhu.