等离子体振荡推动聚变能的突破

美国国家航空航天局(NASA)拍摄的太阳等离子体爆发图像。等离子体——由自由移动的电子和离子组成的热原子汤——是宇宙中最丰富的物质形式，在整个太阳系的太阳和其他行星体中都存在。图片来源：美国宇航局

大多数人都知道固体、液体和气体是物质的三种主要状态，但物质的第四种状态也存在。等离子体(电离气体)是宇宙中最丰富、可观测到的物质形式，存在于太阳和其他天体中。

形成等离子体的自由移动电子和离子的热混合物通常需要极高的压力或温度。在这些极端条件下，研究人员不断发现等离子体移动和演化的意想不到的方式。通过更好地了解等离子体运动，科学家们获得了对太阳物理学、天体物理学和聚变的宝贵见解。

在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，罗切斯特大学的研究人员和加州大学圣地亚哥分校的同事发现了一种新的等离子体振荡——电子和离子的来回波状运动。这些发现对于提高微型粒子加速器和用于产生聚变能的反应堆的性能具有重要意义。

“这种新型等离子体振荡可以表现出非凡的特性，为粒子加速和聚变的创新进步打开大门，”激光能量学实验室的高级科学家、机械工程系的助理教授约翰·帕斯特罗(JohnPalastro)说，光学研究所副教授。

有自己想法的等离子波

等离子体的特性之一是它支持集体运动的能力，即电子和离子一致振荡或波动。这些振荡就像有节奏的舞蹈。正如舞者对彼此的动作作出反应一样，等离子体中的带电粒子相互作用并一起振荡，从而产生协调的运动。

传统上，这些振荡的特性与等离子体整体的特性(例如温度、密度或速度)有关。然而，帕斯特罗和他的同事确定了等离子体振荡的理论框架，其中振荡的特性完全独立于它们所在的等离子体。

“想象一下快速拨动吉他弦，脉冲沿着弦传播，速度由弦的张力和直径决定，”帕斯特罗说。“我们找到了一种‘拉扯’等离子体的方法，这样波的移动就可以独立于类似的张力和直径。”

在他们的理论框架内，振荡的幅度可以比真空中的光速更快或完全停止，而等离子体本身则以完全不同的方向传播。

该研究具有多种有前景的应用，最显着的是帮助实现清洁燃烧的商业聚变能源。

加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程教授阿列克谢·阿雷菲耶夫(AlexeyArefiev)表示：“这种新型振荡可能会对聚变反应堆产生影响，在聚变反应堆中，减轻等离子体振荡可以促进高效发电所需的约束。”。