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/