Un moteur puissant roule profondément sous nos pieds, convertir l'énergie du noyau terrestre en champs magnétiques qui nous protègent du vent solaire. Des moteurs similaires entraînent l'activité magnétique du soleil, d'autres étoiles et même d'autres planètes, qui créent toutes des champs magnétiques qui se renforcent et se réinjectent dans les moteurs pour les faire fonctionner.

Beaucoup sur ces moteurs, que les scientifiques appellent des dynamos, reste inconnu. C'est en partie parce que les maths derrière eux sont doublement difficiles, combiner les équations complexes du mouvement des fluides avec les équations qui régissent la courbure des champs électriques et magnétiques, tourner, interagir et se propager. Mais c'est aussi parce que les dynamos de laboratoire, qui tentent d'imiter les versions astrophysiques, sont chers, dangereux et ne produisent pas encore de manière fiable les champs magnétiques auto-entretenus caractéristiques des vraies dynamos.

Maintenant, Victor Galitski, membre du Joint Quantum Institute (JQI), en collaboration avec deux autres scientifiques, a proposé une approche radicalement nouvelle pour étudier les dynamos, celui qui pourrait être plus simple et plus sûr. La proposition, qui a été publié le 25 octobre dans Lettres d'examen physique , suggère d'exploiter les électrons dans un morceau de matière solide de la taille d'un centimètre pour imiter les flux de fluide dans des dynamos ordinaires.

Si une telle expérience réussit, il pourrait être possible pour les chercheurs à l'avenir d'étudier de plus près la dynamo de la Terre - et peut-être même d'en apprendre davantage sur les basculements du champ magnétique qui se produisent tous les 100, 000 ans environ. "La dynamique de la dynamo terrestre n'est pas bien comprise, et la dynamique de ces flips non plus, " dit Galitski, qui est également professeur de physique à l'Université du Maryland. "Si nous avions des expériences qui pourraient reproduire certains aspects de cette dynamo, ce serait très important."

De telles expériences ne seraient pas possibles sans le fait que les électrons, qui transportent le courant à travers un matériau, peut parfois être considéré comme un fluide. Ils vont du haut potentiel au bas potentiel, tout comme l'eau en bas d'une colline, et ils peuvent couler à des vitesses différentes. L'astuce pour repérer l'effet dynamo dans un fluide électronique est de les faire couler assez rapidement sans faire fondre le matériau.

"Les gens n'ont pas vraiment pensé à faire ces expériences dans les solides avec des fluides électroniques, " dit Galitski. " Dans ce travail, nous n'imaginons pas avoir un système énorme, mais nous pensons qu'il est possible d'induire des flux très rapides."

Ces flux rapides seraient intéressants en eux-mêmes, Galitski dit, mais ils sont particulièrement importants pour réaliser l'effet dynamo en laboratoire. Malgré les nombreuses inconnues persistantes sur les dynamos, il semble que la turbulence joue un rôle crucial dans leur création. Cela est probablement dû au fait que les turbulences, ce qui conduit à un mouvement de fluide chaotique, peut bousculer le champ magnétique libre du reste du fluide, l'amenant à se tordre et à se plier sur lui-même et à augmenter sa résistance.

Mais la turbulence n'apparaît que pour des écoulements très rapides - comme l'air se précipitant sur l'aile d'un avion - ou pour des écoulements à très grande échelle - comme le métal liquide dans le noyau de la Terre ou la coquille de plasma du soleil. Pour créer une dynamo en utilisant un petit morceau de matière solide, les électrons auraient besoin de se déplacer à des vitesses jamais vues auparavant, même dans des matériaux connus pour avoir des électrons très mobiles.

Galitski et ses collaborateurs pensent qu'un matériau appelé semi-métal de Weyl peut être capable d'héberger un fluide d'électrons circulant à plus d'un kilomètre par seconde, potentiellement assez rapide pour générer la turbulence nécessaire pour amorcer une dynamo. Ces matériaux ont reçu une grande attention ces dernières années en raison de leurs caractéristiques inhabituelles, y compris les courants anormaux qui surviennent en présence de champs magnétiques et qui peuvent réduire la vitesse requise pour l'émergence de la turbulence.

"Il peut sembler que les turbulences ne soient pas particulièrement extraordinaires, " dit Sergueï Syzranov, un co-auteur et ancien chercheur postdoctoral JQI qui est maintenant professeur adjoint de physique à l'Université de Californie, Santa Cruz. "Mais dans les solides, cela n'a jamais été démontré à notre connaissance. Une réalisation majeure de notre travail est que la turbulence est réaliste dans certains matériaux à l'état solide."

Les auteurs disent qu'il n'est pas encore clair comment démarrer au mieux une dynamo sur un petit éclat de semi-métal Weyl. Cela peut être aussi simple que de faire tourner physiquement le matériau. Ou cela peut nécessiter la pulsation d'un champ électrique ou magnétique. Dans les deux cas, Galitski dit, la signature expérimentale montrerait qu'un système totalement amagnétique formerait spontanément un champ magnétique. « Des expériences contrôlées comme celles-ci avec des turbulences dans les électrons sont totalement inconnues, " dit Galitski. " Je ne peux pas vraiment dire ce qu'il en sortira, mais ça pourrait être vraiment intéressant."