Hydrodynamiska effekter i plasmor, förbränning och astrofysik

Projektbeskrivning

Kollektiva hydrodynamiska effekter är viktiga för många problem inom plasmafysik. Inom detta projekt fokuserar vi på hydrodynamiska och magnetohydrodynamiska fenomen inom tröghetsfusion, kvantplasmor och dynamik i organiska halvledare.
Inom tröghetsfusion kommer hydrodynamiska instabiliteter, som exempelvis Rayleigh-Taylor (RT) och Darrieus-Landau (DL) instabiliteterna, att studeras. RT-instabiliteten är en mycket viktig hydrodynamisk instabilitet, då den är vanligt förekommande i många fysikaliska situationer.

Inom tröghetsfusion utgör instabiliteter ett av de svåraste hindren för att nå tillräckligt hög täthet fusionsplasmat, och därmed starta den termonukleära reaktionen. RT-instabiliteten uppstår när ett plasma med hög täthet ligger ovanpå ett plasma med lägre täthet i ett yttre gravitationsfält.

Arkimedes princip säger att den potentiella energin som finns ackumulerad i det tunga plasmat transformeras till kinetisk energi genom en plasmaström. Gravitationsfältet kan också bytas ut mot ett ”effektivt” kraftfält, vilket inträffar i exempelvis tröghetsfusion, där ett laseruppvärmt plasma trycker på en tung måltavla och accelererar den. Från måltavlans synvinkel fungerar accelerationen på samma sätt som ett gravitationsfält, och en RT-instabilitet uppstår.

På grund av denna instabilitet kommer det tunga plasmat att ”falla ner” i form av en stråle, och det laseruppvärmda plasmat flyter upp i form av en bubbla. Inom detta projekt skall vi studera den icke-linjära utvecklingen av RT-instabiliteten i laser-plasmasystem. RT-instabiliteten i ett plasma leder också till mycket starka magnetfält, vilka har observerats i fusionsexperiment.

Den andra instabiliteten som nämns ovan, den så kallade DL-instabiliteten, uppstår i ett plasma med en yttre energikälla. Energin kommer exempelvis från laserljus vid tröghetsfusion. Genom värmeledning sprids energin från den yttre energikällan och bildar en front, en så kallad deflagrationsfront. DL-instabiliteten är typiskt för alla deflagrationsfronter, och på grund av instabiliteten deformeras fronten, och deflagrationshastigheten ökar.

Hydrodynamiska effekter i kvantplasmor är ett annat viktigt område i detta projekt. Kvantfenomen ger effekter på plasmadynamiken i form av till exempel dispersion på grund av den ändliga utsträckningen av elektronens vågfunktion eller Fermitrycket. Kvanteffekter blir särskilt viktiga vid höga plasmatätheter eller låga temperaturer (som i t.ex. Bose-Einstein kondensat). Även i andra ”kvantliknande” system, som inom ickelinjär optik, uppstår analoga effekter.
Hydrodynamiken hos kvantplasmor är ett mycket snabbt växande område inom plasmafysik med stort antal av tillämpningar till exempelvis elektronik på nanoskalor. Inom kvanthydrodynamiken skal vi studera chockvågor och ickelinjära instabiliteter. Sådana vågor och instabiliteter skiljer sig väsentligt från motsvarande fenomen i den klassiska regimen.

Vi kommer inom detta projekt också att studera komplex dynamik i organiska halvledare, vilket omfattar till exempel diffusion, mobilitet av elektroner, hål, positiva och negativa joner samt ickelinjära mättnadsmekanismer. Projektet ska fokusera på dopningsfrontens dynamik i p–n-övergångar. Experiment visar att fronterna är instabila, och dessa instabiliteter har mycket gemensamt med DL-instabiliteter inom exempelvis tröghetsfusion, om än på andra tids- och längdskalor.
Dessa tre problem inom plasmadynamik förenas metodologiskt via liknande ickelinjära effekter. Därför kräver de också liknande teoretiska och numeriska lösningsmetoder, och synergivinster kan uppstå när dessa problem behandlas inom samma projekt.