Hầu hết mọi người đều biết chất rắn, chất lỏng và chất khí là ba trạng thái chính của vật chất, nhưng trạng thái thứ tư của vật chất cũng tồn tại. Plasma—còn được gọi là khí ion hóa—là dạng vật chất phong phú nhất, có thể quan sát được trong vũ trụ của chúng ta, được tìm thấy trong mặt trời và các thiên thể khác.
Sự phát triển của mật độ năng lượng trung bình theo chu kỳ đối với sóng plasma có cấu trúc không-thời gian và thông thường. Sóng plasma thông thường (trái) nhiễu xạ khi nó truyền từ trái sang phải với vận tốc nhóm danh định v n . Vận tốc nhóm danh nghĩa được xác định bởi các điều kiện plasma và song song với vận tốc pha v 0 . Mật độ năng lượng cực đại của STP (phải) di chuyển theo hướng ngược lại với vận tốc nhóm danh nghĩa và vận tốc pha trong khi duy trì cấu hình không gian thời gian không đổi. Tín dụng: Thư đánh giá vật lý (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.095101
Việc tạo ra hỗn hợp nóng của các electron và ion chuyển động tự do tạo nên plasma thường đòi hỏi áp suất hoặc nhiệt độ cực cao. Trong những điều kiện khắc nghiệt này, các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá những cách bất ngờ mà plasma có thể di chuyển và tiến hóa. Bằng cách hiểu rõ hơn về chuyển động của plasma, các nhà khoa học có được những hiểu biết có giá trị về vật lý mặt trời, vật lý thiên văn và phản ứng tổng hợp.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters , các nhà nghiên cứu từ Đại học Rochester, cùng với các đồng nghiệp tại Đại học California, San Diego, đã phát hiện ra một loại dao động plasma mới – chuyển động tới lui, giống như sóng của các electron và ion. Những phát hiện này có ý nghĩa trong việc cải thiện hiệu suất của các máy gia tốc hạt cỡ nhỏ và các lò phản ứng được sử dụng để tạo ra năng lượng nhiệt hạch.
John Palastro, nhà khoa học cao cấp tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser, trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, cho biết: “Loại dao động plasma mới này có thể thể hiện những tính năng đặc biệt, mở ra cơ hội cho những tiến bộ đổi mới về gia tốc và phản ứng tổng hợp hạt”. phó giáo sư tại Viện Quang học.
Sóng plasma có ý thức riêng
Một trong những đặc tính đặc trưng của plasma là khả năng hỗ trợ chuyển động tập thể, trong đó các electron và ion dao động – hoặc sóng – đồng loạt. Những dao động này giống như một điệu nhảy nhịp nhàng. Giống như các vũ công phản ứng với chuyển động của nhau, các hạt tích điện trong plasma tương tác và dao động với nhau, tạo ra chuyển động phối hợp.
Các đặc tính của những dao động này theo truyền thống được liên kết với các đặc tính—chẳng hạn như nhiệt độ, mật độ hoặc vận tốc—của toàn bộ plasma. Tuy nhiên, Palastro và các cộng sự của ông đã xác định được một khung lý thuyết cho các dao động plasma trong đó các đặc tính của các dao động hoàn toàn độc lập với plasma mà chúng tồn tại trong đó.
Palastro nói: “Hãy tưởng tượng một cú gảy nhanh của dây đàn guitar trong đó xung truyền dọc theo dây với tốc độ được xác định bởi độ căng và đường kính của dây”. “Chúng tôi đã tìm ra cách ‘gảy’ một plasma, để các sóng chuyển động độc lập với lực căng và đường kính tương tự.”
Trong khuôn khổ lý thuyết của họ, biên độ dao động có thể được làm cho chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không hoặc dừng lại hoàn toàn, trong khi bản thân plasma lại chuyển động theo một hướng hoàn toàn khác.
Nghiên cứu này có nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn, đáng chú ý nhất là trong việc giúp đạt được năng lượng nhiệt hạch thương mại, đốt sạch.
Đồng tác giả Alexey Arefiev, giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học California, San Diego, cho biết: “Loại dao động mới này có thể có ý nghĩa đối với các lò phản ứng nhiệt hạch, trong đó việc giảm thiểu dao động plasma có thể tạo điều kiện hạn chế cần thiết để đạt hiệu suất cao. sản xuất điện."
