Quase 50 anos atrás, O físico Michael Kosterlitz da Brown University e seus colegas usaram a matemática da topologia - o estudo de como os objetos podem ser deformados ao se esticar ou torcer, mas não se rasgar ou quebrar - para explicar mudanças de fase intrigantes em certos tipos de matéria. O trabalho rendeu a Kosterlitz uma parte do Prêmio Nobel de Física 2016 e levou à descoberta de fenômenos topológicos em todos os tipos de sistemas, de filmes finos que conduzem eletricidade apenas em torno de suas bordas, a ondas estranhas que se propagam nos oceanos e na atmosfera no equador da Terra.

Agora uma equipe de pesquisadores, incluindo outro físico Brown, adicionou um novo fenômeno topológico a essa lista cada vez maior. Em uma nova pesquisa teórica, a equipe mostra que ondas eletromagnéticas de origem topológica devem estar presentes na superfície dos plasmas - sopas quentes de gás ionizado. Se a teoria for verdadeira, essas ondas podem fornecer uma nova maneira para os cientistas investigarem as propriedades dos plasmas, que são encontrados em tudo, desde lâmpadas fluorescentes a estrelas.

A pesquisa foi liderada por Jeffrey Parker, um cientista pesquisador do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, em colaboração com Brad Marston, um professor de física na Brown, e outros. O artigo é publicado em Cartas de revisão física .

As ondas, chamados polaritons gasosos de plasmon, propagam-se ao longo da interface de um plasma e seus arredores quando o sistema é exposto a um forte campo magnético. Marston diz que o que é interessante sobre essas ondas é que elas são "protegidas topologicamente, "o que significa que eles estão inerentemente presentes no sistema e são resistentes a serem espalhados por impurezas.

"Sempre que houver uma onda protegida contra espalhamento, isso significa que eles podem permanecer intactos por uma longa distância, "Marston disse." Por uma questão prática, esperamos que eles possam ser usados ​​para diagnosticar estados de plasma. Um dos grandes problemas da física do plasma é descobrir o estado de um plasma sem perturbá-lo. Se você colocar uma sonda, você vai atrapalhar o sistema. Podemos ser capazes de usar essas ondas para discernir o estado de um plasma sem perturbá-lo. "

Uma maneira de pensar sobre proteção topológica, Marston diz, é algo conhecido como teorema da bola cabeluda. Imagine uma bola coberta de cabelos longos. Se alguém tentasse pentear esses cabelos, sempre haverá pelo menos um ponto na bola onde os cabelos não ficarão planos.

"Este lugar sempre estará lá, "Marston disse." Você pode movê-lo, mas a única maneira de se livrar disso é arrancar alguns fios de cabelo. Mas, exceto algo violento como isso, se você está manipulando continuamente sem rasgar nada, sempre vai haver um vórtice. "

O vórtice sempre presente na bola peluda é matematicamente análogo às ondas na superfície de um plasma, Marston diz.

"Nesse caso, há sempre um vórtice, mas está no espaço do número da onda, comprimentos de onda das diferentes ondas, "disse ele." É um pouco mais abstrato do que no espaço real, mas a matemática é muito semelhante. "

Tendo desenvolvido a base teórica para essas ondas, a próxima etapa é realizar experimentos para confirmar se eles realmente estão lá. Marston e seus colegas recentemente ganharam uma bolsa semente de Brown para ajudá-los a fazer exatamente isso. Com a ajuda de pesquisadores do Basic Plasma Physics Facility da UCLA, Marston e seus colegas planejam realizar experimentos para detectar essas ondas.

Em última análise, Marston espera que a descoberta dessas ondas possa ser uma bênção para a física do plasma, ajudando os cientistas a entender e controlar melhor os sistemas de plasma. Uma área importante na qual Marston está interessado são os reatores de fusão de plasma. Esses reatores podem um dia aproveitar a fusão nuclear para produzir uma abundância de energia limpa, mas até agora os sistemas de plasma têm se mostrado difíceis de controlar.

"A longo prazo, esperamos que isso possa ter um impacto na energia de fusão, "Disse Marston." Se pudermos usar essas ondas para discernir os estados dos plasmas, pode ajudar no projeto de um reator de fusão que seja estável e capaz de produzir energia. "

Mas para agora, Marston e seus colegas estão ansiosos para realizar seus experimentos.

"Se pudermos demonstrar essas coisas experimentalmente, pessoas da comunidade de plasma vão começar a prestar mais atenção a essa ideia, " ele disse.

Outros co-autores do artigo foram Steven Tobias e Ziyan Zhu.