Plasmatest im MAST-Tokamak, einer Plasmafusionskammer. (Dobbin74/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0) 
Eine neue Methode zur Klassifizierung magnetisierten Plasmas hat zur Entdeckung von zehn bisher unbekannten topologischen Phasen des Plasmas geführt.
Mehr über diese Phasen und insbesondere die Übergänge zwischen ihnen zu erfahren, könnte Plasmaphysikern dabei helfen, den weißen Wal der Energie aufzuspüren – Plasmafusion . Das liegt daran, dass die Übergänge zwischen ihnen Kantenmoden oder Wellen am Schnittpunkt der Plasmaoberflächen unterstützen.
Diese exotischen Anregungen könnten die möglichen praktischen Anwendungen für magnetisiertes Plasma erweitern.
„Diese Erkenntnisse könnten zu möglichen Anwendungen dieser exotischen Anregungen im Weltraum und in Laborplasmen führen“, sagte der Physiker Yichen Fu des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
„Der nächste Schritt besteht darin, zu untersuchen, was diese Anregungen bewirken könnten und wie sie genutzt werden könnten.“
Neuere Forschungen haben damit begonnen, Plasma topologisch zu betrachten, das heißt, die Formen der darin enthaltenen Wellen zu untersuchen.
Allerdings wurden die topologischen Phasen in kaltmagnetisiertem Plasma und die Übergänge zwischen ihnen noch nicht umfassend erforscht. Dies ist wichtig, da es uns helfen kann zu verstehen, wie Plasma mit sich selbst interagiert.
Diagramm der topologischen Phasen. (Fu & Qin, Nature Communications, 2021)
Fu und sein Kollege, der PPPL-Physiker Hong Qin, versuchten, die topologischen Phasen eines kalten Plasmas in einem gleichmäßigen Magnetfeld mathematisch zu beschreiben. Sie fanden 10 verschiedene neuartige Phasen, die durch Randmoden getrennt sind – die Grenze zwischen zwei topologisch unterschiedlichen Regionen innerhalb des Plasmas. Numerische Studien bestätigten die Ergebnisse des Paares.
„Die Entdeckung der 10 Phasen im Plasma markiert eine grundlegende Entwicklung in der Plasmaphysik“, sagte Qin .
„Der erste und wichtigste Schritt bei jedem wissenschaftlichen Unterfangen ist die Klassifizierung der untersuchten Objekte.“ „Jedes neue Klassifizierungsschema wird zu einer Verbesserung unseres theoretischen Verständnisses und daraus resultierenden Fortschritten in der Technologie führen.“
Was diese Fortschritte sein könnten, wird in dem Papier nicht spekuliert, aber es gibt einige interessante Möglichkeiten. Plasma wird oft als das vierte bezeichnet Aggregatszustand , ein Gas, in dem den darin enthaltenen Atomen Elektronen entzogen wurden, wodurch ein ionisiertes Material entsteht.
Es kommt im Weltraum reichlich vor – tatsächlich ist es der Zustand der Materie in Sternen, der für eine mögliche Plasmatechnologie von entscheidender Bedeutung ist.
Tief in ihren Plasmakernen verschmelzen Sterne Kerne zu schwereren Elementen, ein Prozess, der enorme Energiemengen erzeugt. Wissenschaftler waren Wir arbeiten hier auf der Erde an der Plasmafusion als eine Form der Energieerzeugung, die sauber und praktisch unbegrenzt sein wird.
Wie Sie sich vorstellen können, ist dies der Fall extrem schwierig . Wir müssen in der Lage sein, ein stabiles Plasma lange genug bei Temperaturen über der Sonne aufrechtzuerhalten, um Energie zu erzeugen und zu extrahieren. Es gibt viele Hindernisse , und so sind wir ziemlich weit von diesem Ziel entfernt – aber ein besseres Verständnis von Plasma kann uns nur näher bringen.
Diese Forschung stellt einen Schritt in diese Richtung dar.
„Der wichtigste Fortschritt in der Arbeit besteht darin, Plasma anhand seiner topologischen Eigenschaften zu untersuchen und seine topologischen Phasen zu identifizieren.“ Sagte Fu .
„Anhand dieser Phasen identifizieren wir die notwendigen und ausreichenden Bedingungen für die Anregung dieser lokalisierten Wellen.“ Wir müssen herausfinden, wie dieser Fortschritt genutzt werden kann, um die Fusionsenergieforschung zu erleichtern.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .