Sulla strada per scrivere il suo dottorato di ricerca. tesi di laurea, Lucio Milanese ha fatto una scoperta, che ha riorientato la sua ricerca, e ora probabilmente dominerà la sua tesi.

Milanese studia plasma, un flusso di ioni ed elettroni simile a un gas che comprende il 99 percento dell'universo visibile, compresa la ionosfera terrestre, spazio interstellare, il vento solare, e l'ambiente delle stelle. plasma, come altri fluidi, si trovano spesso in uno stato turbolento caratterizzato da caotica, movimento imprevedibile, fornendo molteplici sfide ai ricercatori che cercano di comprendere l'universo cosmico o sperano di sfruttare i plasmi in fiamme per l'energia di fusione.

Milanese è interessato a quello che il fisico Richard Feynman ha chiamato "il più importante problema irrisolto della fisica classica":la turbolenza. In questo caso, l'obiettivo è la turbolenza del plasma, sua natura e struttura.

"Dì che mescoli una tazza di tè con un cucchiaio:stai creando un vortice, un vortice, alla scala della tazza. Questo vortice su larga scala alla fine viene suddiviso in vortici più piccoli, che tagliano in strutture sempre più piccole. Alla fine questa cascata genererà strutture abbastanza piccole da dissiparsi e l'energia si trasformerà in calore".

In un articolo recentemente pubblicato su Lettere di revisione di fisica , Milanese offre un meccanismo appena scoperto chiamato "allineamento di fase dinamico" per scoprire come la turbolenza trasferisce energia da scale grandi a scale più piccole. Milanese, un dottorato di ricerca in scienze e ingegneria nucleare. candidato presso il Plasma Science and Fusion Center, definisce la scoperta un "elemento costitutivo di una teoria generale della turbolenza".

"La turbolenza è complessa e caotica, ma non è del tutto illegittima:la dinamica complessiva deve obbedire ad alcuni vincoli, " dice Milanese. "Un vincolo meccanico universale è che l'energia deve essere conservata. Nei sistemi che studiamo, esiste anche un vincolo topologico:la quantità totale di elicità, il grado in cui i vortici si attorcigliano e si sviluppano a spirale, è conservata."

Milanese spiega che entrambe queste dichiarazioni di conservazione si applicano a tutte le scale fisiche tranne quelle più piccole, dove la dissipazione non può più essere ignorata.

"Per i tipi di sistemi che sono modellati dalle equazioni che consideriamo, e ce ne sono molte, se dovessimo sviluppare un modello di turbolenza che considera solo la conservazione dell'energia, finiremmo inevitabilmente per violare il vincolo di conservazione dell'elicità. Siamo stati in grado di risolvere questa apparente contraddizione scoprendo il nuovo meccanismo di allineamento di fase dinamico".

Milanese offre così una spiegazione per un fenomeno generalmente osservato che chiama "la cascata congiunta di energia ed elicità". Questo tipo di schema a cascata è osservato nei sistemi al plasma che Milanese ha studiato, come la ionosfera, il vento solare, e la corona solare.

Milanese osserva che proprio come un cucchiaio porta energia ed elicità a una tazza di tè, il movimento del plasma sulla superficie del sole "inietta" queste quantità nel vento solare e nella corona solare. Una volta che ciò accade e inizia la cascata, l'energia e l'elicità si conservano fino alla dissipazione dei vortici turbolenti.

Nei sistemi al plasma esplorati da Milanese, la quantità di elicità (twistedness) è determinata da quanto strettamente correlate sono le fluttuazioni dei campi magnetico ed elettrico. Su larga scala, quando nel sistema è presente una quantità significativa di elicità, è statisticamente probabile che se il potenziale elettrico - la tensione - è grande, anche la fluttuazione del potenziale magnetico locale sarà grande. Poiché le strutture su larga scala si rompono in strutture su scala più piccola, questo cambia progressivamente, e diventa sempre più probabile che se il potenziale elettrico è localmente grande, la fluttuazione del potenziale magnetico sarà piccola, vicino allo zero (e viceversa).

"Abbiamo scoperto che quando le strutture su larga scala si rompono in strutture su scala più piccola, le fluttuazioni di potenziale magnetico ed elettrico diventano progressivamente più correlate. Questo è un notevole esempio di come i plasmi turbolenti possano auto-organizzarsi per rispettare i vincoli meccanici e topologici".

La scoperta di questo allineamento di fase dinamico fornisce una nuova lente attraverso la quale visualizzare altri sistemi turbolenti. Milanese e i suoi colleghi hanno scoperto che le equazioni modello che hanno adottato per descrivere i plasmi sono matematicamente identiche a quelle che descrivono la dinamica della rotazione rapida, flussi di fluidi non ionizzati, come uragani e tornado.

La scoperta di questo nuovo paradigma è costruita su un quadro teorico sviluppato dal suo consigliere, Professor Nuno Loureiro, e il collaboratore di Loureiro, il professor Stanislav Boldyrev dell'Università del Wisconsin a Madison, per descrivere la dinamica dei plasmi fatti di elettroni e positroni, le antiparticelle degli elettroni. Milanese ha iniziato a lavorare con Maximilian Daschner, uno studente in scambio dell'ETH di Zurigo, sondare la validità di questo quadro teorico tramite simulazioni numeriche.

"E' stato un bel progetto numerico per un UROP" dice Milanese. "Pensavamo di finire in sei mesi e di pubblicare un articolo. Ma poi, due anni dopo, stavamo ancora guardando a risultati interessanti".

Cristoforo Chen, Ernest Rutherford Fellow presso la Scuola di Fisica e Astronomia, Queen Mary University di Londra, e un esperto in osservazioni di turbolenza nel vento solare, commenti sul significato della scoperta.

"Comprendere la turbolenza del plasma è una parte fondamentale per risolvere alcune delle domande di vecchia data nell'astrofisica del plasma, come il riscaldamento della corona solare, come si genera il vento solare, come vengono creati i forti campi magnetici nell'universo, e come le particelle energetiche vengono accelerate. I risultati di questo lavoro sono importanti, poiché forniscono una nuova comprensione dei principali processi universali che operano in tali plasmi. Il documento è anche significativo e tempestivo poiché fa previsioni che possiamo testare con la sonda Parker Solar Probe e la navicella spaziale Solar Orbiter, che sono attualmente in viaggio per studiare il sole da vicino."

Più vicino a casa, il lavoro è rilevante per i prossimi esperimenti presso l'Istituto per la fisica del plasma in Germania. Questi esperimenti intrappoleranno un numero significativo di elettroni e positroni in una gabbia magnetica, permettendo ai ricercatori di studiare le proprietà di un tale sistema, anche se a temperature molto inferiori a quelle che si osservano solitamente in ambienti astrofisici. Milanese si aspetta che il sistema sia turbolento e crede che potrebbe essere potenzialmente utilizzato come banco di prova di laboratorio per le sue idee.

Milanese osserva che un ulteriore studio dell'allineamento di fase dinamico è diventato il grosso della sua tesi. Attualmente sta lavorando per estendere l'applicabilità di questo lavoro per includere una gamma di fluidi molto più ampia rispetto ai tipi di plasma e fluidi a rotazione rapida che ha già esplorato.

Presto amplierà anche la sua prospettiva. L'anno prossimo si troverà alla Tsinghua University in Cina come parte della classe dello Schwarzman Scholar del 2022. Quest'anno, il programma di master in affari esteri interamente finanziato gli offrirà opportunità nelle politiche pubbliche, economia, attività commerciale, e relazioni internazionali. Milanese non vede l'ora di esplorare il lato commerciale e politico della creazione di un'industria globale dell'energia da fusione, che dipende dalla costruzione di una comprensione avanzata della turbolenza nei plasmi, che è stato il suo obiettivo primario.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.