Sur le chemin de la rédaction de son doctorat. thèse, Lucio Milanese a fait une découverte qui a recentré ses recherches, et dominera probablement sa thèse.

Le milanais étudie le plasma, un flux d'ions et d'électrons semblable à un gaz qui comprend 99% de l'univers visible, dont l'ionosphère terrestre, espace interstellaire, le vent solaire, et l'environnement des étoiles. Plasma, comme les autres fluides, se trouvent souvent dans un état turbulent caractérisé par mouvement imprévisible, offrant de multiples défis aux chercheurs qui cherchent à comprendre l'univers cosmique ou espèrent exploiter les plasmas brûlants pour l'énergie de fusion.

Milanese s'intéresse à ce que le physicien Richard Feynman a appelé « le problème non résolu le plus important de la physique classique » :la turbulence. Dans ce cas, le foyer est la turbulence du plasma, sa nature et sa structure.

"Dites que vous remuez une tasse de thé avec une cuillère :vous créez un vortex, un bain à remous, à l'échelle de la tasse. Ce vortex à grande échelle finit par se décomposer en plus petits vortex, qui cisaillent en structures de plus en plus petites. Finalement, cette cascade générera des structures suffisamment petites pour se dissiper et l'énergie se transformera en chaleur."

Dans un article récemment publié dans Lettres de révision de physique , Milanese propose un mécanisme récemment découvert appelé « alignement de phase dynamique » pour découvrir comment la turbulence transfère l'énergie des grandes échelles aux plus petites. Milanais, un doctorat en sciences et ingénierie nucléaires. candidat au Plasma Science and Fusion Center, appelle la découverte un "bloc de construction d'une théorie générale de la turbulence."

"La turbulence est complexe et chaotique, mais ce n'est pas totalement anarchique :la dynamique d'ensemble doit obéir à des contraintes, " dit Milanese. " Une contrainte mécanique universelle est que l'énergie doit être conservée. Dans les systèmes que nous étudions, il existe également une contrainte topologique :la quantité totale d'hélicité - le degré auquel les tourbillons se tordent et s'enroulent en spirale - est conservée."

Milanese explique que ces deux déclarations de conservation s'appliquent à toutes les échelles physiques, à l'exception des plus petites, où la dissipation ne peut plus être ignorée.

"Pour les types de systèmes qui sont modélisés par les équations que nous considérons - et il y en a beaucoup - si nous devions développer un modèle de turbulence qui ne considère que la conservation de l'énergie, on finirait inévitablement par violer la contrainte de conservation de l'hélicité. Nous avons pu résoudre cette apparente contradiction en découvrant le nouveau mécanisme d'alignement de phase dynamique."

Milanese propose ainsi une explication à un phénomène généralement observé qu'il appelle "la cascade conjointe d'énergie et d'hélicité". Ce type de schéma en cascade est observé dans les systèmes à plasma étudiés par Milanese, comme l'ionosphère, le vent solaire, et la couronne solaire.

Milanese observe que tout comme une cuillère apporte de l'énergie et de l'hélicité à une tasse de thé, le mouvement du plasma à la surface du soleil « injecte » ces quantités dans le vent solaire et la couronne solaire. Une fois que cela se produit et que la cascade commence, l'énergie et l'hélicité sont conservées jusqu'à ce que les tourbillons turbulents se dissipent.

Dans les systèmes plasma milanais explorés, la quantité d'hélicité (torsion) est déterminée par le degré de corrélation étroite entre les fluctuations des champs magnétiques et électriques. A grande échelle, lorsqu'une quantité importante d'hélicité est présente dans le système, il est statistiquement probable que si le potentiel électrique - la tension - est grand, la fluctuation du potentiel magnétique local sera également importante. Alors que les structures à grande échelle se brisent en structures à plus petite échelle, cela change au fur et à mesure, et il devient de plus en plus probable que si le potentiel électrique est localement grand, la fluctuation du potentiel magnétique sera faible, proche de zéro (et vice versa).

« Nous avons constaté que lorsque les structures à grande échelle se brisent en structures à plus petite échelle, les fluctuations de potentiel magnétique et électrique deviennent progressivement plus corrélées. C'est un exemple remarquable de la façon dont les plasmas turbulents peuvent s'auto-organiser pour respecter les contraintes mécaniques et topologiques."

La découverte de cet alignement de phase dynamique fournit une nouvelle lentille à travers laquelle visualiser d'autres systèmes turbulents. Milanese et ses collègues ont découvert que les équations modèles qu'ils ont adoptées pour décrire les plasmas sont mathématiquement identiques à celles décrivant la dynamique de la rotation rapide, écoulements de fluides non ionisés, comme les ouragans et les tornades.

La découverte de ce nouveau paradigme s'appuie sur un cadre théorique élaboré par son conseiller, Professeur Nuno Loureiro, et le collaborateur de Loureiro, le professeur Stanislav Boldyrev de l'Université du Wisconsin à Madison, pour décrire la dynamique des plasmas constitués d'électrons et de positons, les antiparticules des électrons. Milanese a commencé à travailler avec Maximilian Daschner, un étudiant d'échange de l'ETH Zurich, pour sonder la validité de ce cadre théorique via des simulations numériques.

"C'était un beau projet numérique pour un UROP" dit Milanese. "Nous pensions que nous aurions terminé en six mois et publierions un article. Mais alors, deux ans plus tard, nous cherchions toujours des résultats intéressants."

Christophe Chen, Boursier Ernest Rutherford à l'École de physique et d'astronomie, Université Queen Mary de Londres, et expert en observations de turbulence dans le vent solaire, commente l'importance de la découverte.

« La compréhension de la turbulence du plasma est un élément clé pour résoudre certaines des questions de longue date en astrophysique des plasmas, comme la façon dont la couronne solaire est chauffée, comment le vent solaire est généré, comment les champs magnétiques puissants dans l'univers sont créés, et comment les particules énergétiques sont accélérées. Les résultats de cet article sont importants, car ils fournissent une nouvelle compréhension des processus universels clés opérant dans de tels plasmas. Le document est également important et opportun car il fait des prédictions que nous pouvons tester avec les sondes Parker Solar Probe et Solar Orbiter, qui sont actuellement en route pour étudier le soleil de près."

Plus proche de la maison, le travail est pertinent pour les expériences à venir à l'Institut de physique des plasmas en Allemagne. Ces expériences vont piéger un nombre important d'électrons et de positons dans une cage magnétique, permettre aux chercheurs d'étudier les propriétés d'un tel système, bien qu'à des températures bien inférieures à ce qui est habituellement observé dans les milieux astrophysiques. Milanese s'attend à ce que le système soit turbulent et pense qu'il pourrait potentiellement être utilisé comme banc d'essai en laboratoire pour ses idées.

Milanese observe qu'une étude plus approfondie de l'alignement de phase dynamique est devenue l'essentiel de sa thèse. Il travaille actuellement à étendre l'applicabilité de ce travail pour inclure une gamme de fluides beaucoup plus large que les types de plasma et de fluides à rotation rapide qu'il a déjà explorés.

Il élargira bientôt également sa perspective. L'année prochaine, il se retrouvera à l'Université Tsinghua en Chine dans le cadre de la promotion 2022 du Schwarzman Scholar. un programme de maîtrise en affaires étrangères entièrement financé lui offrira des opportunités en politique publique, économie, Entreprise, et relations internationales. Milanese est impatient d'explorer les aspects commerciaux et politiques de la création d'une industrie mondiale de l'énergie de fusion, qui dépend de la construction d'une compréhension avancée de la turbulence dans les plasmas, qui a été son objectif principal.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.