Plasma, quarto estado físico da matéria, tem dez fases exclusivas

Cientistas do Laboratório de Física de Plasma da Universidade de Princeton e do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) descobriram que um plasma magnetizado tem 10 fases exclusivas. Segundo os pesquisadores, as transições entre elas podem ajudar no desenvolvimento da energia de fusão e pode levar a avanços, como a coleta desse tipo de energia, o mesmo que alimenta o sol e outras estrelas.

A pesquisa descobriu que os limites espaciais – ou transições – entre as diferentes fases do plasma dão suporte a excitações de ondas localizadas. "Essas descobertas podem levar a possíveis aplicações dessas excitações exóticas no espaço e em plasmas de laboratório", escreveu Yichen Fu, estudante de pós-graduação de Princeton e principal autor do artigo publicado na Nature Communications. "O próximo passo é explorar o que essas excitações podem fazer e como podem ser utilizadas", disse o pesquisador.

Hong Qin, à esquerda, e seu aluno Yichen Fu: os cientistas que descobriram as dez fases do plasma

Entre as possíveis aplicações está o uso das excitações para criar corrente em plasmas de fusão magnética – ou facilitar a rotação do plasma em experimentos de fusão. Mas o físico Hong Qin, coautor do artigo e orientador do estudo, explicou em um comunicado à imprensa que o artigo não considera nenhuma aplicação prática: “O artigo é a teoria básica e a tecnologia seguirá o entendimento teórico”, disse.

A descoberta das 10 fases do plasma marca um desenvolvimento primário na Física do Plasma, segundo Qin, que afirmou que o primeiro e mais importante passo em qualquer empreendimento científico é classificar os objetos sob investigação. "Qualquer novo esquema de classificação levará a uma melhoria em nosso entendimento teórico e avanços subsequentes na tecnologia", disse o cientista.

No comunicado, Qin cita a descoberta dos principais tipos de diabetes como um exemplo do papel da classificação no progresso científico: "Ao desenvolver tratamentos para diabetes, os cientistas descobriram que havia três tipos principais", disse ele. "Agora os médicos podem tratar eficazmente os pacientes diabéticos", exemplificou. Da mesma forma, o artigo escrito por sua equipe deve preceder uma série de avanços científicos na coleta de energia de fusão.

Cientistas de todo o mundo estão buscando um meio de produzir energia de fusão aqui na Terra, combinando elementos leves na forma de plasma para liberar grandes quantidades de energia. Plasma é o quarto estado da matéria – quente e carregado, composto de elétrons livres e núcleos atômicos que compõem 99% do universo visível. Sua força pode ser uma fonte segura e limpa de energia para o futuro.

As fases do plasma que o Laboratório de Física de Plasma de Princeton descobriu são tecnicamente conhecidas como "fases topológicas", indicando as formas das ondas suportadas pelo plasma. A propriedade única da matéria foi descoberta pela primeira vez na disciplina de Física da matéria condensada nos anos 1970 – achado pelo qual o físico Duncan Haldane, também da Universidade de Princeton, recebeu o Prêmio Nobel de 2016 pelo trabalho pioneiro.

As ondas de plasma localizadas, produzidas por transições de fase, são robustas e intrínsecas porque são "protegidas topologicamente", disse Qin. "A descoberta de que essa excitação protegida topologicamente existe em plasmas magnetizados é um grande passo à frente que pode ser explorado para aplicações práticas", disse ele.

Para o primeiro autor do artigo, Fu, “O progresso mais importante no trabalho é observar o plasma com base em suas propriedades topológicas e identificar suas fases topológicas. Com base nessas fases, identificamos a condição necessária e suficiente para as excitações dessas ondas localizadas. Este progresso pode ser aplicado para facilitar a pesquisa de energia de fusão, temos que descobrir".

Artigo Nature Communications: doi.org/10.1038/s41467-021-24189-3