Τα μέταλλα Weyl και η προσομοίωση των αστροφυσικών δυναμό. Weyl Metals as Proxies for Astrophysical Dynamos

Τα παράξενα υλικά που ονομάζονται μέταλλα Weyl θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν το μυστικό για το πως δημιουργείται το μαγνητικό πεδίο της Γης. Earth’s magnetic field (illustrated) as well as those of stars and other astronomical objects are created by flows of electrically conductive substances. On smaller scales, such dynamos may also be created by materials called Weyl metals. Credit: GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/NASA

Με τα υλικά που παράγουν το μαγνητικό δυναμό (ή μαγνητική γεννήτρια) και την διαδικασία μέσω της οποίας ένα ηλεκτρικά αγώγιμο στροβιλιζόμενο υλικό δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο ασχολούνται οι ερευνητές Victor Galitski, Mehdi Kargarian, και Sergey Syzranov στην δημοσίευσή τους: Dynamo Effect and Turbulence in Hydrodynamic Weyl Metals.

Circulating electric currents in the molten iron outer core give rise to Earth’s magnetic field, which is like a bar magnet tilted 11 degrees from the spin axis of the planet and thus from the geographic poles. Lines of the field converge where magnetic force is strong, at the poles, and spread out where it is weak. Credit: GLOBE: UMBERTO SHTANZMAN/SHUTTERSTOCK; ILLUSTRATION: M. ATARO

Τα «δυναμό» είναι κάτι συνηθισμένο στο σύμπαν μας: παράγουν τα μαγνητικά πεδία της γης, του ήλιου μας, των άστρων, αλλά και των γαλαξιών.

Laboratory dynamos attempt to generate magnetic fields the way planets and stars do. The dynamo experiment at the University of Maryland is the biggest ever made with  whirling molten sodium. Credit: SANTIAGO ANDRÉS TRIANA

Όμως οι επιστήμονες δεν κατανοούν πλήρως τις λεπτομέρειες δημιουργίας των μαγνητικών πεδίων εξαιτίας των αστροφυσικών δυναμό. Και, δυστυχώς, η κατασκευή παρόμοιων δυναμό στο εργαστήριο δεν είναι εύκολη υπόθεση, αφού απαιτείται η κατασκευή γιγαντιαίων δεξαμενών γεμάτες με μέταλλο σε υγρή μορφή (π.χ. νάντριο) που θα περιστρέφονται ταχύτατα.

Τα μέταλλα Weyl ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 2015. Είναι τοπολογικά υλικά, που σημαίνει ότι η συμπεριφορά τους περιγράφεται από τον κλάδο των μαθηματικών που ονομάζεται τοπολογία. Τα ηλεκτρόνια στα μέταλλα Weyl κινούνται με περίεργους τρόπους και συμπεριφέρονται σαν να μην είχαν μάζα.

Certain topological materials could be used in lab tests of the dynamo effect, thought to generate magnetic fields in stars and planets. Credit: APS/Alan Stonebraker

Οι ερευνητές ανακάλυψαν πως μέσα σε αυτά τα υλικά τα ηλεκτρόνια υπακούουν στο ίδιο σύνολο εξισώσεων (εξισώσεις Navier-Stokes για ιξώδη ρευστά συνδυασμένες με τις ηλεκτρομαγνητικές εξισώσεις Maxwell) που περιγράφουν τη συμπεριφορά των υγρών όταν δημιουργούν το φαινόμενο δυναμό, όπως ο λιωμένος σίδηρος στον εξωτερικό πυρήνα της Γης. Οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι, κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, θα πρέπει να είναι δυνατή η δημιουργία δυναμό από στερεά μέταλλα Weyl.

Turbulence (seen here in water dyed green) complicates experiments trying to create a dynamo and a magnetic field by swirling hot liquid sodium. FROM VIDEO BY DANIEL P. LATHROP, SANTIAGO A. TRIANA, DANIEL S. ZIMMERMAN

Ίσως είναι ευκολότερο να δημιουργηθούν τέτοια δυναμό στο εργαστήριο, καθώς δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες υγρών μετάλλων να στροβιλίζονται. Αντ‘ αυτού, τα ηλεκτρόνια σε ένα μικρό κομμάτι μετάλλου Weyl θα μπορούσαν να ρέουν σαν ένα υγρό, παίρνοντας τη θέση του υγρού μετάλλου.

Το αποτέλεσμα είναι ακόμα θεωρητικό. Αλλά εάν η ιδέα δουλεύει, οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν τα μέταλλα Weyl για να αναπαράγουν τις συνθήκες που υπάρχουν στο εσωτερικό της Γης και να κατανοήσουν καλύτερα το πως σχηματίζεται το μαγνητικό της πεδίο.

Πηγές: V. Galitski, M. Kargarian and S. Syzranov. Dynamo effect and turbulence in hydrodynamic Weyl metals. Physical Review Letters. Vol. 121, October 26, 2018, p. 176603. doi: 10.1103/PhysRevLett.121.176603 - www.sciencenews.org – physics.aps.org - https://physicsgg.me/2018/11/17/