Il y a près de 50 ans, Le physicien de l'Université Brown Michael Kosterlitz et ses collègues ont utilisé les mathématiques de la topologie - l'étude de la façon dont les objets peuvent être déformés en s'étirant ou en se tordant mais pas en se déchirant ou en se cassant - pour expliquer des changements de phase déroutants dans certains types de matière. Les travaux ont valu à Kosterlitz une part du prix Nobel de physique 2016 et ont conduit à la découverte de phénomènes topologiques dans toutes sortes de systèmes, à partir de films minces qui ne conduisent l'électricité que sur leurs bords, aux vagues étranges qui se propagent dans les océans et l'atmosphère à l'équateur terrestre.

Désormais une équipe de chercheurs, dont un autre physicien Brown, a ajouté un nouveau phénomène topologique à cette liste sans cesse croissante. Dans les nouvelles recherches théoriques, l'équipe montre que des ondes électromagnétiques d'origine topologique devraient être présentes à la surface des plasmas, des soupes chaudes de gaz ionisé. Si la théorie s'avère vraie, ces ondes pourraient fournir aux scientifiques un nouveau moyen de sonder les propriétés des plasmas, qui se trouvent dans tout, des ampoules fluorescentes aux étoiles.

La recherche a été dirigée par Jeffrey Parker, chercheur au Lawrence Livermore National Laboratory, en collaboration avec Brad Marston, professeur de physique à Brown, et d'autres. L'article est publié en Lettres d'examen physique .

Les vagues, appelés polaritons plasmoniques gazeux, se propagent le long de l'interface d'un plasma et de son environnement lorsque le système est exposé à un champ magnétique puissant. Marston dit que ce qui est intéressant à propos de ces ondes, c'est qu'elles sont "topologiquement protégées, " ce qui signifie qu'ils sont intrinsèquement présents dans le système et résistent à la dispersion par les impuretés.

"Chaque fois que vous avez une onde protégée contre la diffusion, cela signifie qu'ils peuvent rester intacts sur une longue distance, " Marston a dit. " En pratique, nous espérons que ceux-ci pourront être utilisés pour diagnostiquer les états du plasma. L'un des gros problèmes de la physique des plasmas est de déterminer l'état d'un plasma sans le perturber. Si vous collez dans une sonde, vous allez perturber le système. Nous pourrions peut-être utiliser ces ondes pour discerner l'état d'un plasma sans le perturber."

Une façon de penser la protection topologique, Marston dit, est ce qu'on appelle le théorème de la boule poilue. Imaginez une boule couverte de longs poils. Si l'on essayait de peigner ces cheveux, il y aura toujours au moins un endroit sur la balle où les poils ne reposeront pas à plat.

"Cet endroit sera toujours là, " Marston a dit. " Vous pouvez le déplacer, mais le seul moyen de s'en débarrasser est de s'arracher des cheveux. Mais à moins de quelque chose de violent comme ça, si vous ne faites que le manipuler en continu sans rien déchirer, il y aura toujours un vortex."

Le vortex omniprésent sur la boule velue est mathématiquement analogue aux ondes à la surface d'un plasma, dit Marston.

"Dans ce cas, il y a toujours un vortex mais c'est dans l'espace des nombres d'onde, longueurs d'onde des différentes ondes, " dit-il. " C'est un peu plus abstrait que dans l'espace réel, mais le calcul est en grande partie similaire."

Après avoir étoffé les bases théoriques de ces vagues, l'étape suivante consiste à effectuer des expériences pour confirmer qu'ils sont vraiment là. Marston et ses collègues ont récemment remporté une subvention de démarrage de Brown pour les aider à faire exactement cela. Avec l'aide de chercheurs du Basic Plasma Physics Facility de l'UCLA, Marston et ses collègues prévoient de réaliser des expériences pour détecter ces ondes.

Finalement, Marston espère que la découverte de ces ondes pourrait être une aubaine pour la physique des plasmas, aider les scientifiques à mieux comprendre et contrôler les systèmes plasma. Un domaine majeur auquel Marston s'intéresse est celui des réacteurs à fusion plasma. De tels réacteurs pourraient un jour exploiter la fusion nucléaire pour produire une abondance d'énergie propre, mais jusqu'à présent, les systèmes plasma se sont avérés difficiles à contrôler.

"À long terme, nous espérons que cela peut avoir un impact sur l'énergie de fusion, " dit Marston. " Si nous pouvons utiliser ces ondes pour discerner les états des plasmas, cela pourrait aider à concevoir un réacteur à fusion stable et capable de produire de l'énergie."

Mais pour l'instant, Marston et ses collègues sont impatients de réaliser leurs expériences.

"Si nous pouvons démontrer ces choses expérimentalement, les gens de la communauté du plasma commenceront, espérons-le, à prêter une plus grande attention à cette idée, " il a dit.

Les autres co-auteurs de l'article étaient Steven Tobias et Ziyan Zhu.