快速流动的电子可能模拟天体物理发电机？

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一个强大的引擎在我们脚下深处旋转，将地核中的能量转换成磁场，从而保护我们免受太阳风的侵袭。类似的引擎驱动着太阳、其他恒星甚至其他行星的磁场活动——所有这些都会产生磁场，这些磁场会自我增强，并反馈给引擎以保持运转。关于这些被科学家称为发电机的引擎，目前仍不清楚。这在一定程度上是因为，将流体运动的复杂方程与控制电场和磁场弯曲、扭曲、相互作用和传播的方程结合起来，计算起来会加倍困难。但这也因为实验室的发电机，试图模拟天体物理版本，是昂贵的，危险的，并没有可靠地产生签名自维持的磁场的真正发电机。

博科园-科学科普：现在联合量子研究所(JQI)的成员Victor Galitski与另外两名科学家合作，提出了一种全新的研究发电机的方法，一种更简单、更安全的方法。这项提议发表在2018年10月25日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，建议利用一厘米大小的固体物质中的电子来模拟普通发电机中的流体流动。如果这样的实验成功了，未来的研究人员可能会更深入地研究地球上的发电机——甚至可能对每10万年左右发生一次的磁场翻转了解更多。马里兰大学的物理学教授加利茨基说：地球发电机的动力学还不太清楚，这些翻转的动力学也不清楚是。如果我们有能够复制这种发电机某些方面的实验，那将是非常重要的。

这样的实验是不可能的，因为电子，通过一种材料携带电流，有时可以被认为是一种流体。它们从高电势流向低电势，就像山下的水一样，它们可以以不同的速度流动。发现电子流体中的发电机效应的诀窍是让它们在不熔化材料的情况下以足够快的速度流动。人们并没有真正考虑过用电子流体在固体中做这些实验。在这项工作中，我们不认为有一个巨大的系统，但我们确实认为有可能诱导非常快的流量。这些快速流动本身就很有趣，但是它们对于在实验室中实现发电机效应特别重要。尽管关于发电机还有许多悬而未决的问题，似乎湍流在它们的产生中扮演着关键的角色。

某些材料中可能含有一种电子流体，它的流动速度足以产生湍流并引导发电机。图片：E. Edwards/JQI

这可能是因为湍流会导致流体的无序运动，它会挤压从流体的其他部分释放出来的磁场，使其在自身顶部扭曲和弯曲，增加其强度。但是湍流只会在非常快的气流中出现（比如飞机机翼上的气流）或者在非常大的尺度上——比如地核中的液态金属或者太阳的等离子体外壳。要用一小块固体物质来制造发电机，电子需要以从未见过的速度运动，即使是在已知具有高度移动电子的材料中。加利茨基和他的合作者认为，一种叫做威尔半金属的材料可能能够容纳一种电子流体，其速度超过每秒1公里，可能快到足以产生启动发电机所需的湍流。

这些材料由于其不寻常的特性，包括在磁场存在时产生的异常电流，可能会降低产生湍流所需的速度，近年来受到广泛关注。似乎湍流并不是特别特别，但就我们所知，在固体中从未被证明过，研究工作的一个主要成果是在一些固态材料中湍流是真实的。目前还不清楚如何在一小片半金属上启动发电机，它可以像物理旋转材料一样简单，也可能需要脉冲电场或磁场。无论哪种方式，实验签名将显示一个完全非磁性的系统自发形成一个磁场。Galitski说：像这样在电子中有湍流的受控实验是完全闻所未闻的，我真的不知道会有什么结果，但这真的很有趣。