Un fulmine in miniatura mantiene la forma mentre si espande nel laboratorio

Un impulso laser diretto su un ago di tungsteno ha prodotto in laboratorio una sfera di plasma luminosa, larga inizialmente circa 80 micrometri e capace di mantenere la propria struttura mentre si espandeva per 100 nanosecondi. Il comportamento osservato è compatibile con quello previsto per un solitone elettromagnetico, un’onda stabile che conserva la propria forma grazie all’equilibrio tra forze fisiche. Il risultato non dimostra che i fulmini globulari siano solitoni, ma offre un modo per studiare in condizioni controllate una possibile spiegazione del fenomeno.

L’esperimento è stato condotto dal fisico Chuliang Zhou e dai colleghi dell’Accademia cinese delle scienze. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Photonics. I fulmini globulari sono sfere luminose descritte in numerose testimonianze, ma restano difficili da osservare e le loro caratteristiche riferite — tra cui dimensioni, colore e comportamento — variano molto. Un precedente approfondimento ha esplorato il mistero dei fulmini globulari e il loro possibile legame con alcuni avvistamenti.

Per generare la sfera, il gruppo ha usato un ago di tungsteno con una punta larga appena 100 nanometri. Per confronto, un capello umano ha un diametro compreso tra 80.000 e 100.000 nanometri. Un impulso laser ultrabreve ha prodotto un’onda elettromagnetica che si è propagata lungo l’ago. Raggiunta la punta, l’energia si è concentrata in un campo elettrico molto intenso, capace di strappare elettroni agli atomi di una nube di argon. Il gas si è così ionizzato e surriscaldato, trasformandosi in plasma e formando una piccola sfera luminosa.

Nei 100 nanosecondi successivi, la sfera si è allargata da circa 80 micrometri a diverse centinaia di micrometri. È un intervallo molto più lungo della durata dell’impulso che l’ha generata. Inoltre, la sfera ha conservato la propria struttura durante l’espansione, invece di disperdersi rapidamente come ci si aspetterebbe da una normale nube di plasma caldo.

I ricercatori hanno seguito l’espansione e analizzato le lunghezze d’onda della luce emessa mentre la sfera si raffreddava. Hanno poi confrontato i dati con modelli teorici e simulazioni al computer. L’evoluzione osservata corrispondeva alle previsioni per un solitone elettromagnetico: secondo questa interpretazione, l’energia elettromagnetica sarebbe rimasta intrappolata nel plasma, contribuendo a mantenere la sfera luminosa e compatta. Le simulazioni di un plasma ordinario in espansione termica, invece, mostravano un processo più rapido e diffuso.

L’esperimento, tuttavia, ha prodotto un minuscolo punto luminoso in condizioni di laboratorio attentamente controllate, molto diverse da quelle atmosferiche in cui si manifesterebbero i fulmini globulari. Per esplorare il possibile legame, il gruppo ha usato i propri modelli per stimare come si comporterebbe il fenomeno su scale maggiori, con radiazioni elettromagnetiche a frequenza più bassa. I calcoli indicano che solitoni generati da microonde, anziché da radiazioni terahertz, potrebbero in teoria raggiungere dimensioni di alcuni metri e durare per secondi, caratteristiche più vicine a quelle riportate in alcune testimonianze. Si tratta però di una previsione teorica, non di un risultato osservato.

«Il nostro approccio di laboratorio controllato alla caratterizzazione spazio-temporale in condizioni regolabili offre un percorso sistematico per decifrare l’enigma secolare della formazione dei fulmini globulari», scrivono i ricercatori. «Unendo la fotonica dei campi estremi, la scienza del plasma e la geofisica atmosferica, i nostri risultati ridefiniscono le piattaforme basate sui terahertz come strumenti di scoperta, sia per le tecnologie applicate sia per i fenomeni naturali ancora irrisolti».

Il gruppo definisce il lavoro «la prima generazione controllata di un solitone macroscopico e di lunga durata, prodotto da campi elettromagnetici terahertz relativistici». La piattaforma potrebbe servire a studiare la fisica dei solitoni ottici e i meccanismi di accumulo dell’energia, oltre a contribuire alla ricerca sui fulmini globulari. La capacità di confinare energia elettromagnetica in una struttura stabile e localizzata potrebbe inoltre offrire spunti per nuove tecnologie di accumulo energetico e per lo studio delle interazioni tra luce e materia in condizioni estreme.

Fonte: sciencealert.com