Bola de plasma de laboratorio actúa como un solitón: pista sobre el rayo globular
Físicos de China han producido una diminuta esfera luminosa de plasma que conserva su estructura mientras se expande y se comporta como un solitón electromagnético, una onda autónoma. El equipo dirigido por Chuliang Zhou, de la Academia China de Ciencias, informa en Nature Photonics de lo que denomina la primera generación controlada de un solitón macroscópico y duradero impulsado por campos electromagnéticos relativistas de terahercios. El resultado podría ayudar a explicar el rayo globular, un fenómeno descrito durante siglos y casi imposible de estudiar sobre el terreno.
Por qué es tan difícil estudiar el rayo globular
El rayo común es un destello irregular que desaparece más rápido que un parpadeo. El rayo globular, en cambio, se describe en miles de registros y testimonios de testigos como una bola que flota sobre el suelo y luego desaparece con un chasquido, como una pompa de jabón. Los informes varían enormemente en cuanto a su tamaño, color y comportamiento, lo que lo convierte en uno de los enigmas más peculiares de la ciencia atmosférica.
Un solitón es una única onda autónoma que mantiene su forma gracias a un delicado equilibrio entre fuerzas físicas opuestas. Los solitones pueden formarse en el plasma, el agua y la luz, dondequiera que sea posible tal equilibrio. Algunas teorías sostienen que el rayo globular es un solitón electromagnético que atrapa energía en una envoltura de plasma. El plasma es un gas cuyos átomos han perdido electrones.
Cómo se creó la esfera
Los investigadores utilizaron una aguja de tungsteno cuya punta mide solo 100 nanómetros de ancho; un cabello humano tiene entre 80 000 y 100 000 nanómetros de grosor. Un pulso láser ultracorto disparado contra la aguja generó una potente onda electromagnética que recorrió toda su longitud. En la punta, la energía de la onda se concentró en un campo eléctrico extremadamente intenso que arrancó electrones a los átomos de una nube de gas argón, creando una burbuja sobrecalentada de argón ionizado.
La esfera luminosa comenzó con unos 80 micrómetros de diámetro y creció hasta varios cientos de micrómetros a lo largo de los siguientes 100 nanosegundos. Eso es mucho más tiempo que el pulso electromagnético que la creó, y la esfera mantuvo su estructura mientras se expandía, en lugar de disiparse como una nube común de plasma caliente.
Qué mostraron las mediciones
El equipo siguió la expansión y analizó las longitudes de onda de la luz que emitía la esfera al enfriarse, y comparó las observaciones con modelos teóricos y simulaciones por ordenador. La expansión coincidió con las predicciones para un solitón electromagnético, lo que sugiere que la energía electromagnética permaneció atrapada dentro del plasma. Las simulaciones de una expansión térmica ordinaria dieron lugar a un proceso mucho más rápido y difuso.
Lejos de una explicación completa
Un diminuto punto de luz en un experimento de laboratorio controlado está muy lejos de las condiciones atmosféricas en las que se describe el rayo globular. Por ello, los investigadores usaron sus modelos para ver cómo podría escalar el efecto. Sus cálculos sugieren que los solitones impulsados por microondas en lugar de radiación de terahercios podrían, en teoría, crecer hasta alcanzar metros de ancho y persistir durante segundos, algo más cercano a algunos testimonios de testigos. Se trata de una estimación teórica, no de una observación.
Los autores escriben que atrapar energía electromagnética en una estructura estable y localizada también podría abrir nuevas vías para las tecnologías de almacenamiento de energía y para estudiar cómo interactúa la luz con la materia en condiciones extremas. Encontrará más cobertura de física en nuestra sección de ciencia.