Um motor poderoso gira profundamente sob nossos pés, converter energia no núcleo da Terra em campos magnéticos que nos protegem do vento solar. Motores semelhantes impulsionam a atividade magnética do sol, outras estrelas e até mesmo outros planetas - todos os quais criam campos magnéticos que se reforçam e realimentam os motores para mantê-los funcionando.

Muito sobre esses motores, que os cientistas chamam de dínamos, permanece desconhecido. Em parte porque a matemática por trás deles é duplamente difícil, combinar as equações complexas do movimento dos fluidos com as equações que governam como os campos elétricos e magnéticos se dobram, torção, interagir e propagar. Mas também é porque dínamos ligados ao laboratório, que tentam imitar as versões astrofísicas, são caros, perigosos e ainda não produzem com segurança os campos magnéticos autossustentáveis ​​de dínamos reais.

Agora, Victor Galitski, um membro do Joint Quantum Institute (JQI), em colaboração com dois outros cientistas, propôs uma nova abordagem radical para estudar dínamos, um que poderia ser mais simples e seguro. A proposta, que foi publicado em 25 de outubro em Cartas de revisão física , sugere aproveitar os elétrons em um pedaço de matéria sólida do tamanho de um centímetro para emular os fluxos de fluido em dínamos comuns.

Se tal experiência for bem-sucedida, pode ser possível para os pesquisadores no futuro estudar o dínamo da Terra mais de perto - e talvez até aprender mais sobre as inversões do campo magnético que acontecem a cada 100, 000 anos ou mais. "A dinâmica do dínamo da Terra não é bem compreendida, e nem são as dinâmicas desses flips, "diz Galitski, que também é professor de física na Universidade de Maryland. "Se tivéssemos experimentos que pudessem reproduzir alguns aspectos desse dínamo, isso seria muito importante. "

Esses experimentos não seriam possíveis, mas pelo fato de que os elétrons, que carregam corrente através de um material, às vezes pode ser considerado um fluido. Eles fluem de alto potencial para baixo potencial, assim como a água descendo uma colina, e eles podem fluir em velocidades diferentes. O truque para detectar o efeito dínamo em um fluido de elétrons é fazer com que eles fluam rápido o suficiente sem derreter o material.

"As pessoas realmente não pensaram em fazer esses experimentos em sólidos com fluidos de elétrons, "Galitski diz." Neste trabalho, não imaginamos ter um sistema enorme, mas achamos que é possível induzir fluxos muito rápidos. "

Esses fluxos rápidos seriam interessantes por si só, Galitski diz, mas eles são especialmente importantes para perceber o efeito dínamo no laboratório. Apesar das muitas incógnitas remanescentes sobre os dínamos, parece que a turbulência desempenha um papel crucial em sua criação. Provavelmente porque a turbulência, o que leva ao movimento caótico do fluido, pode empurrar o campo magnético para fora do resto do fluido, fazendo com que ele se torça e dobre sobre si mesmo e aumente sua força.

Mas a turbulência só surge para fluxos muito rápidos - como o ar passando sobre a asa de um avião - ou para fluxos em escalas muito grandes - como o metal líquido no núcleo da Terra ou a camada de plasma do sol. Para criar um dínamo usando um pequeno pedaço de matéria sólida, os elétrons precisariam se mover a velocidades nunca antes vistas, mesmo em materiais conhecidos por terem elétrons altamente móveis.

Galitski e seus colaboradores pensam que um material chamado semimetal de Weyl pode ser capaz de hospedar um fluido de elétron fluindo a mais de um quilômetro por segundo - potencialmente rápido o suficiente para gerar a turbulência necessária para inicializar um dínamo. Esses materiais têm recebido ampla atenção nos últimos anos devido às suas características incomuns, incluindo correntes anômalas que surgem na presença de campos magnéticos e que podem reduzir a velocidade necessária para o surgimento da turbulência.

"Pode parecer que a turbulência não é particularmente extraordinária, "diz Sergey Syzranov, um co-autor e ex-pesquisador de pós-doutorado JQI que agora é professor assistente de física na Universidade da Califórnia, Santa Cruz. "Mas em sólidos nunca foi demonstrado até onde sabemos. Uma grande conquista de nosso trabalho é que a turbulência é realista em alguns materiais de estado sólido."

Os autores dizem que ainda não está claro qual a melhor forma de dar início a um dínamo em uma pequena lasca do semimetal de Weyl. Pode ser tão simples quanto girar fisicamente o material. Ou pode exigir a pulsação de um campo elétrico ou magnético. De qualquer jeito, Galitski diz, a assinatura experimental mostraria um sistema totalmente não magnético formando espontaneamente um campo magnético. "Experimentos controlados como esses com turbulência em elétrons são totalmente inéditos, "Galitski diz." Eu realmente não posso dizer o que vai sair disso, mas pode ser muito interessante. "