La plupart des gens connaissent les solides, les liquides et les gaz comme les trois principaux états de la matière, mais il existe également un quatrième état de la matière. Le plasma – également connu sous le nom de gaz ionisé – est la forme de matière observable la plus abondante dans notre univers, trouvée dans le soleil et d’autres corps célestes.
La création du mélange chaud d'électrons et d'ions en mouvement libre qui composent un plasma nécessite souvent des pressions ou des températures extrêmes. Dans ces conditions extrêmes, les chercheurs continuent de découvrir les façons inattendues dont le plasma peut se déplacer et évoluer. En comprenant mieux le mouvement du plasma, les scientifiques acquièrent des informations précieuses sur la physique solaire, l’astrophysique et la fusion.
Dans un article publié dans Lettres d'examen physique, des chercheurs de l'Université de Rochester et des collègues de l'Université de Californie à San Diego ont découvert une nouvelle classe d'oscillations du plasma : le mouvement de va-et-vient ondulatoire des électrons et des ions. Les résultats ont des implications pour l’amélioration des performances des accélérateurs de particules miniatures et des réacteurs utilisés pour créer de l’énergie de fusion.
« Cette nouvelle classe d'oscillations de plasma peut présenter des caractéristiques extraordinaires qui ouvrent la porte à des avancées innovantes en matière d'accélération et de fusion des particules », déclare John Palastro, scientifique principal au Laboratoire d'énergie laser, professeur adjoint au Département de génie mécanique, et professeur agrégé à l'Institut d'optique.
Des ondes de plasma avec leur propre esprit
L’une des propriétés qui caractérise un plasma est sa capacité à supporter un mouvement collectif, où les électrons et les ions oscillent – ou ondulent – à l’unisson. Ces oscillations sont comme une danse rythmée. Tout comme les danseurs réagissent aux mouvements des uns et des autres, les particules chargées d'un plasma interagissent et oscillent ensemble, créant un mouvement coordonné.
Les propriétés de ces oscillations sont traditionnellement liées aux propriétés – telles que la température, la densité ou la vitesse – du plasma dans son ensemble. Cependant, Palastro et ses collègues ont déterminé un cadre théorique pour les oscillations du plasma dans lequel les propriétés des oscillations sont totalement indépendantes du plasma dans lequel elles existent.
« Imaginez un pincement rapide d'une corde de guitare où l'impulsion se propage le long de la corde à une vitesse déterminée par la tension et le diamètre de la corde », explique Palastro. « Nous avons trouvé un moyen de » pincer « un plasma, de sorte que les ondes se déplacent indépendamment de la tension et du diamètre analogues. »
Dans leur cadre théorique, l’amplitude des oscillations pourrait se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière dans le vide ou s’arrêter complètement, tandis que le plasma lui-même se déplace dans une direction totalement différente.
La recherche a diverses applications prometteuses, notamment en aidant à obtenir une énergie de fusion commerciale à combustion propre.
Le co-auteur Alexey Arefiev, professeur de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Californie à San Diego, déclare : « Ce nouveau type d'oscillation pourrait avoir des implications pour les réacteurs à fusion, où l'atténuation des oscillations du plasma peut faciliter le confinement nécessaire à la production d'énergie à haut rendement. « .
