چوپان مغناطیسی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، الکترون‌ها در محیط پلاسمایی مثل گوسفندانی هستند که در یک مرتع باشند. آن‌ها به اطراف پرسه می‌زنند و گاهی به سقلمه‌ای احتیاج دارند تا باعث شود در راه مشخص گله قرار گیرند. چهاردهم نوامبر، یک تیم تحقیقاتی روشی را عرضه کرد که با آن می‌توان دیواری یکطرفه ساخت که که اجازه‌ی ورود الکترون‌ها از یکطرف را می‌دهد، ولی الکترون‌هایی که از طرف دیگر دیوار می‌خواهند وارد شوند را مانع می‌شود. این روش جدیدی برای به دام انداری الکترون‌ها در محیط پلاسمایی است.

این ایده ما را به یاد "شیطانک ماکسول (Maxwell’s Demon) " می‌اندازد که می‌گفت فرض کنید یک ظرف را با تیغه‌ای به دو قسمت تقسیم می‌کنیم و یکطرفش را تا نصف از گاز پر می‌کنیم. موجود هوشیاری را در جلوی سوراخ بین دو نصفه‌ی ظرف قرار می‌دهیم و او فقط مولکول‌های پرسرعت را انتخاب و به سمت دیگر هدایت می‌کند. این آزمایش نظری عملا غیر قابل اجراست، اما در اینجا با احتساب اینکه مقداری گرما هدر می‌رود می‌توان الکترون‌ها را به دقت تفکیک کرد. (مثل همان کاری که شیطانک جلوی دریچه در آزمایش ذهنی ماکسول می‌کرد!) قصه اینگونه است که در یک راکتور گداخت بنام توکامک، محققان میدان مغناطیسی برای نگه داری پلاسما در یک محل خاص بکار می‌برند.

 

یعنی پلاسما را (که مجموعه‌ای از الکترونهاست) درون ظرفی از جنس میدان مغناطیسی قرار می‌دهند. برای اینکار تعدادی از الکترون‌های پلاسما را در میدان مغناطیسی می‌اندازند که باعث می‌شود این الکترون‌ها دور حلقه‌ای شبیه به خانه‌ی حلزون بچزخند و این خانه حکم ظرفی را دارد که درونش پلاسما حبس می‌شود. اما این روش نیازمند اینست که مقدار بسیار زیادی امواج رادیویی به درون پلاسما فرستاده شود که این مقدار باعث گرم شدن بسیاری از الکترون‌ها و اتلاف گرمایی می‌شود.

 

نات فیش (Nat Fisch) از دانشگاه پرینستون (Princeton University) و همکارانش تصمیم گرفتند که انرژی لازم برای ظرف را بجای اینکه به همه جا بفرستند فقط به یک منطقه‌ی کوچک بفرستند. این ایده دو نوع میدان می‌خواهد. اول، یک لایه‌ی نازک از میدان‌های الکترومغناطیس نوسان کننده می‌خواهد که بطور عمودی محوطه‌ی پلاسمایی را نصف می‌کند و دوم، یک میدان مغناطیسی ایستا می‌خواهد. الکترون‌ها ترجیح می‌دهند که از دیواره‌ی قوی و نوسانی الکترومغناطیسی فاصله بگیرند بنابراین به عقب برمیگردند، اما میدان مغناطیسی روی الکترونهاعمل می‌کند و آن‌ها را مجددا به جلو هدایت می‌کند (مثل یک درب یکطرفه).

 

نمایی از یک پلاسمای حبس شده در یک توکامک. توضیح کاملتر و واضحتر انست که فرض کنید یک الکترون به دیوار نزدیک میشود. میدان مغناطیسی ایستا که عمود بر دیوار است باعث می‌شود که الکترون روی مسیری حلزونی شکل به سمت دیوار جلو برود. در نزدیکی‌های دیوار فرکانس این چرخش رو به جلو با فرکانس نوسان میدان الکترومغناطیسی دیوار هماهنگ می‌شود و باعث می‌شود که الکترون‌ها در جای مشخصی از مدار چرخششان ناگهانی به سمت داخل کشیده شوند. این شوت شدگی به سمت دیگر دیواره برای تمام الکترون‌ها در همان جهت وجود دارد. یعنی فرقی نمی‌کند که الکترون به دیواره از کدام سمت نزدیک شود. اگر الکترونی مثلا از سمت دیگر به دیوار نزدیک شود، میدان مغناطیسی ایستایی که الکترون‌ها را رو به یک سمت هدایت می‌کند باعث دوری آن الکترون از دیوار می‌شود؛ بنابراین می‌بینید که دیوار اینجا مثل شیطانک ماکسول که به یکسو تفکیک می‌کرد عمل می‌کند. حالا این تیم در حال عملی کردن این ایده هستند تا بتوانند با دو دیوار الکترون‌ها را بین این دو حبس کنند.