No caminho para escrever seu Ph.D. dissertação, Lucio Milanese fez uma descoberta - uma que redirecionou sua pesquisa, e agora provavelmente dominará sua tese.

Milanese estuda plasma, um fluxo gasoso de íons e elétrons que compreende 99 por cento do universo visível, incluindo a ionosfera da Terra, espaço interestelar, o vento solar, e o ambiente das estrelas. Plasmas, como outros fluidos, são frequentemente encontrados em um estado turbulento caracterizado por caótico, movimento imprevisível, proporcionando múltiplos desafios para pesquisadores que buscam entender o universo cósmico ou esperam aproveitar plasmas em chamas para energia de fusão.

Milanese está interessado no que o físico Richard Feynman chamou de "o problema não resolvido mais importante da física clássica" - a turbulência. Nesse caso, o foco é a turbulência do plasma, sua natureza e estrutura.

"Digamos que você mexa uma xícara de chá com uma colher:você está criando um vórtice, um redemoinho, na escala da xícara. Este vórtice em grande escala eventualmente se divide em vórtices menores, que se cortam em estruturas cada vez menores. Eventualmente, essa cascata irá gerar estruturas pequenas o suficiente para que se dissipem e a energia se transforme em calor. "

Em um artigo publicado recentemente em Cartas de revisão de física , Milanese oferece um mecanismo recém-descoberto chamado "alinhamento de fase dinâmica" para descobrir como a turbulência transfere energia de escalas grandes para escalas menores. A milanesa, um Ph.D. em ciência nuclear e engenharia. candidato no Centro de Ciência e Fusão de Plasma, chama a descoberta de "alicerce de uma teoria geral da turbulência".

"A turbulência é complexa e caótica, mas não é completamente sem lei:a dinâmica geral deve obedecer a algumas restrições, "diz Milanese." Uma restrição mecânica universal é que a energia deve ser conservada. Nos sistemas que estudamos, também existe uma restrição topológica:a quantidade total de helicidade - o grau em que os vórtices se retorcem e espiralam - é conservada. "

Milanese explica que ambas as declarações de conservação se aplicam a todas as escalas físicas, exceto as menores, onde a dissipação não pode mais ser ignorada.

"Para os tipos de sistemas que são modelados pelas equações que consideramos - e existem muitas - se desenvolvêssemos um modelo de turbulência que considera apenas a conservação de energia, nós inevitavelmente acabaríamos violando a restrição sobre a conservação da helicidade. Fomos capazes de resolver essa aparente contradição, descobrindo o novo mecanismo de alinhamento de fase dinâmica. "

Milanese está, portanto, oferecendo uma explicação para um fenômeno geralmente observado que ele chama de "a cascata conjunta de energia e helicidade". Este tipo de padrão em cascata é observado nos sistemas de plasma que Milanese tem estudado, como a ionosfera, o vento solar, e a coroa solar.

Milanese observa que, assim como uma colher traz energia e helicidade para uma xícara de chá, o movimento do plasma na superfície do sol "injeta" essas quantidades no vento solar e na coroa solar. Assim que isso acontecer e a cascata começar, a energia e a helicidade são conservadas até que os vórtices turbulentos se dissipem.

Nos sistemas de plasma que o Milanese explorou, a quantidade de helicidade (torção) é determinada pelo grau de correlação entre as flutuações dos campos magnéticos e elétricos. Em grande escala, quando uma quantidade significativa de helicidade está presente no sistema, é estatisticamente provável que, se o potencial elétrico - a voltagem - for grande, a flutuação do potencial magnético local também será grande. À medida que as estruturas de grande escala se dividem em estruturas de menor escala, isso muda progressivamente, e torna-se cada vez mais provável que, se o potencial elétrico for localmente grande, a flutuação do potencial magnético será pequena, perto de zero (e vice-versa).

"Descobrimos que, à medida que as estruturas de grande escala se dividem em estruturas de menor escala, as flutuações de potencial magnético e elétrico tornam-se progressivamente mais correlacionadas. Este é um exemplo notável de como plasmas turbulentos podem se auto-organizar para respeitar as restrições mecânicas e topológicas. "

A descoberta desse alinhamento de fase dinâmico fornece uma nova lente para visualizar outros sistemas turbulentos. Milanese e seus colegas descobriram que as equações do modelo que adotaram para descrever os plasmas são matematicamente idênticas às que descrevem a dinâmica de rotação rápida, fluxos de fluido não ionizado, como furacões e tornados.

A descoberta deste novo paradigma é construída a partir de um referencial teórico desenvolvido por seu orientador, Professor Nuno Loureiro, e o colaborador de Loureiro, Professor Stanislav Boldyrev, da University of Wisconsin em Madison, para descrever a dinâmica dos plasmas feitos de elétrons e pósitrons - as antipartículas dos elétrons. Milanese começou a trabalhar com Maximilian Daschner, um estudante de intercâmbio da ETH Zurique, para sondar a validade deste quadro teórico por meio de simulações numéricas.

"Foi um belo projeto numérico para uma UROP", diz Milanese. "Achamos que terminaríamos em seis meses e publicaríamos um artigo. Mas então, dois anos depois, ainda estávamos procurando resultados interessantes. "

Christopher Chen, Ernest Rutherford Fellow na Escola de Física e Astronomia, Queen Mary University of London, e um especialista em observações de turbulência no vento solar, comentários sobre o significado da descoberta.

"Compreender a turbulência do plasma é uma parte fundamental para resolver algumas das questões de longa data da astrofísica do plasma, como a forma como a coroa solar é aquecida, como o vento solar é gerado, como fortes campos magnéticos no universo são criados, e como as partículas energéticas são aceleradas. Os resultados deste artigo são importantes, uma vez que fornecem uma nova compreensão dos principais processos universais que operam em tais plasmas. O artigo também é significativo e oportuno, pois faz previsões que podemos testar com as espaçonaves Parker Solar Probe e Solar Orbiter, que estão atualmente a caminho para estudar o sol de perto. "

Mais perto de casa, o trabalho é relevante para os próximos experimentos no Instituto de Física do Plasma na Alemanha. Esses experimentos irão capturar um número significativo de elétrons e pósitrons em uma gaiola magnética, permitindo que os pesquisadores estudem as propriedades de tal sistema, embora em temperaturas muito mais baixas do que o geralmente observado em ambientes astrofísicos. Milanese espera que o sistema seja turbulento e acredita que ele poderia ser usado como um teste de laboratório para suas ideias.

Milanese observa que um estudo mais aprofundado do alinhamento de fase dinâmico se tornou o grosso de sua dissertação. Ele está atualmente trabalhando para estender a aplicabilidade deste trabalho para incluir uma gama muito mais ampla de fluidos do que os tipos de plasma e fluidos de rotação rápida que ele já explorou.

Ele logo estará ampliando sua perspectiva também. No próximo ano, ele estará na Universidade de Tsinghua, na China, como parte da turma do Schwarzman Scholar de 2022. Neste ano, o programa de mestrado totalmente financiado em relações exteriores oferecerá a ele oportunidades em políticas públicas, economia, o negócio, e relações internacionais. Milanese está ansioso para explorar o lado comercial e político da criação de uma indústria global de energia de fusão - dependente da construção de uma compreensão avançada da turbulência em plasmas, que tem sido seu foco principal.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.