快速流動的電子可能模擬天體物理髮電機？

一個強大的引擎在我們腳下深處旋轉，將地核中的能量轉換成磁場，從而保護我們免受太陽風的侵襲。類似的引擎驅動著太陽、其他恆星甚至其他行星的磁場活動——所有這些都會產生磁場，這些磁場會自我增強，並反饋給引擎以保持運轉。關於這些被科學家稱為發電機的引擎，目前仍不清楚。這在一定程度上是因為，將流體運動的複雜方程與控制電場和磁場彎曲、扭曲、相互作用和傳播的方程結合起來，計算起來會加倍困難。但這也因為實驗室的發電機，試圖模擬天體物理版本，是昂貴的，危險的，並沒有可靠地產生簽名自維持的磁場的真正發電機。

博科園-科學科普：現在聯合量子研究所(JQI)的成員Victor Galitski與另外兩名科學家合作，提出了一種全新的研究發電機的方法，一種更簡單、更安全的方法。這項提議發表在2018年10月25日的《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，建議利用一厘米大小的固體物質中的電子來模擬普通發電機中的流體流動。如果這樣的實驗成功了，未來的研究人員可能會更深入地研究地球上的發電機——甚至可能對每10萬年左右發生一次的磁場翻轉了解更多。馬里蘭大學的物理學教授加利茨基說：地球發電機的動力學還不太清楚，這些翻轉的動力學也不清楚是。如果我們有能夠複製這種發電機某些方面的實驗，那將是非常重要的。

這樣的實驗是不可能的，因為電子，通過一種材料攜帶電流，有時可以被認為是一種流體。它們從高電勢流向低電勢，就像山下的水一樣，它們可以以不同的速度流動。發現電子流體中的發電機效應的訣竅是讓它們在不熔化材料的情況下以足夠快的速度流動。人們並沒有真正考慮過用電子流體在固體中做這些實驗。在這項工作中，我們不認為有一個巨大的系統，但我們確實認為有可能誘導非常快的流量。這些快速流動本身就很有趣，但是它們對於在實驗室中實現發電機效應特別重要。儘管關於發電機還有許多懸而未決的問題，似乎湍流在它們的產生中扮演著關鍵的角色。

某些材料中可能含有一種電子流體，它的流動速度足以產生湍流並引導發電機。圖片：E. Edwards/JQI

這可能是因為湍流會導致流體的無序運動，它會擠壓從流體的其他部分釋放出來的磁場，使其在自身頂部扭曲和彎曲，增加其強度。但是湍流只會在非常快的氣流中出現（比如飛機機翼上的氣流）或者在非常大的尺度上——比如地核中的液態金屬或者太陽的等離子體外殼。要用一小塊固體物質來製造發電機，電子需要以從未見過的速度運動，即使是在已知具有高度移動電子的材料中。加利茨基和他的合作者認為，一種叫做威爾半金屬的材料可能能夠容納一種電子流體，其速度超過每秒1公里，可能快到足以產生啟動發電機所需的湍流。

這些材料由於其不尋常的特性，包括在磁場存在時產生的異常電流，可能會降低產生湍流所需的速度，近年來受到廣泛關注。似乎湍流並不是特別特別，但就我們所知，在固體中從未被證明過，研究工作的一個主要成果是在一些固態材料中湍流是真實的。目前還不清楚如何在一小片半金屬上啟動發電機，它可以像物理旋轉材料一樣簡單，也可能需要脈衝電場或磁場。無論哪種方式，實驗簽名將顯示一個完全非磁性的系統自發形成一個磁場。Galitski說：像這樣在電子中有湍流的受控實驗是完全聞所未聞的，我真的不知道會有什麼結果，但這真的很有趣。

博科園-科學科普｜研究/來自：聯合量子研究所

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI：10.1103 / PhysRevLett.121.176603

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