Doble capa (física de plasmas)

Una doble capa es una estructura en un plasma que consiste en dos capas paralelas de carga eléctrica opuesta. Estas capas de carga, que no necesariamente son planas, producen fluctuaciones localizadas del potencial eléctrico , lo que genera un campo eléctrico relativamente intenso entre las capas y campos compensatorios más débiles pero más extensos en el exterior, que restablecen el potencial global. ^{[ 1 ]} Los iones y electrones dentro de la doble capa son acelerados, desacelerados o desviados por el campo eléctrico, según su dirección de movimiento.

Se pueden crear capas dobles en tubos de descarga , donde una fuente de energía externa proporciona energía sostenida dentro de la capa para la aceleración de electrones. Se afirma que se han observado capas dobles en la aurora boreal y se utilizan en aplicaciones astrofísicas . De manera similar, una capa doble en la región auroral requiere algún impulsor externo para producir la aceleración de electrones.

Las capas dobles electrostáticas son especialmente comunes en plasmas con corriente eléctrica y son muy delgadas (típicamente decenas de longitudes de Debye ) en comparación con el tamaño de los plasmas que las contienen. Otros nombres para una capa doble son capa doble electrostática, capa doble eléctrica y capas dobles de plasma. El término "choque electrostático" en la magnetosfera se ha aplicado a campos eléctricos orientados en un ángulo oblicuo al campo magnético, de tal manera que el campo eléctrico perpendicular es mucho más fuerte que el campo eléctrico paralelo. ^{[ 2 ]} En física láser, una capa doble a veces se denomina campo eléctrico ambipolar. ^{[ 3 ]}

Las capas dobles están conceptualmente relacionadas con el concepto de «vaina» ( véase vaina de Debye ). Torvén ofrece una revisión temprana de las capas dobles a partir de experimentos de laboratorio y simulaciones. ^{[ 4 ]}

Las capas dobles se pueden clasificar de las siguientes maneras:

• Dobles capas débiles y fuertes . La fuerza de una doble capa se expresa como la relación entre la caída de potencial y la energía térmica equivalente del plasma , o en comparación con la energía de masa en reposo de los electrones . Se dice que una doble capa es fuerte si la caída de potencial dentro de la capa es mayor que la energía térmica equivalente de los componentes del plasma. ^{[ 5 ]}
• Capas dobles relativistas o no relativistas . ^{[ 6 ]} Se dice que una capa doble es relativista si la caída de potencial dentro de la capa es comparable a la energía de masa en reposo (~512 keV) del electrón. Se pueden encontrar capas dobles con dicha energía en experimentos de laboratorio. La densidad de carga es baja entre las dos regiones de potencial opuesto y la capa doble es similar a la distribución de carga en un capacitor en ese sentido.
• Capas dobles conductoras de corriente. Estas capas dobles pueden generarse por inestabilidades de plasma inducidas por corriente que amplifican las variaciones de la densidad del plasma. Un ejemplo de estas inestabilidades es la inestabilidad de Farley-Buneman , que se produce cuando la velocidad de flujo de los electrones (básicamente la densidad de corriente dividida por la densidad electrónica) supera la velocidad térmica de los electrones del plasma. Ocurre en plasmas colisionales con un componente neutro y es impulsada por corrientes de deriva.
• Capas dobles sin corriente. Estas se producen en el límite entre regiones de plasma con propiedades diferentes. Un plasma puede tener una temperatura electrónica y una velocidad térmica mayores a un lado de la capa límite que al otro. Lo mismo puede ocurrir con las densidades del plasma. El intercambio de partículas cargadas entre las regiones puede permitir que se mantengan diferencias de potencial localmente entre ellas. La densidad de carga total, como en todas las capas dobles, será neutra.

El desequilibrio potencial se neutralizará mediante la migración de electrones (1 y 3) e iones (2 y 4), a menos que los gradientes de potencial se mantengan mediante una fuente de energía externa. En la mayoría de las situaciones de laboratorio, a diferencia de las condiciones del espacio exterior , las partículas cargadas pueden originarse efectivamente dentro de la doble capa, por ionización en el ánodo o el cátodo , y mantenerse.

La figura muestra la perturbación localizada del potencial producida por una doble capa idealizada que consta de dos discos con cargas opuestas. La perturbación es cero a una distancia de la doble capa en todas las direcciones. ^{[ 7 ]}

Si una partícula cargada incidente, como un electrón auroral precipitante, encuentra una estructura estática o cuasiestática en la magnetosfera, siempre que su energía supere la mitad de la diferencia de potencial eléctrico dentro de la doble capa, la atravesará sin experimentar ningún cambio neto de energía. Las partículas incidentes con menor energía tampoco experimentarán un cambio neto de energía, pero sufrirán una mayor desviación general.

Se pueden identificar cuatro regiones distintas de una doble capa, que afectan a las partículas cargadas que la atraviesan o que se encuentran dentro de ella:

1. Un lado de potencial positivo de la doble capa donde los electrones son acelerados hacia ella;
2. Un potencial positivo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran;
3. Un potencial negativo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran; y
4. Un lado de potencial negativo de la doble capa donde los electrones son acelerados.

Las capas dobles tenderán a ser transitorias en la magnetosfera, ya que cualquier desequilibrio de carga se neutralizará, a menos que exista una fuente de energía externa sostenida que las mantenga, como ocurre en condiciones de laboratorio.

• Espesor : La formación de una doble capa requiere regiones con un exceso significativo de carga positiva o negativa, es decir, donde se viola la cuasineutralidad . En general, la cuasineutralidad solo puede violarse en escalas del orden de la longitud de Debye . El espesor de una doble capa es del orden de diez longitudes de Debye, lo que equivale a unos pocos centímetros en la ionosfera , unas pocas decenas de metros en el medio interplanetario y decenas de kilómetros en el medio intergaláctico .
• Distribución del potencial electrostático : Como se describió anteriormente en la clasificación de la doble capa, existen cuatro regiones distintas en una doble capa donde las partículas cargadas incidentes se aceleran o desaceleran a lo largo de su trayectoria. Dentro de la doble capa, las dos distribuciones de carga opuestas tienden a neutralizarse mediante el movimiento interno de las partículas cargadas.
• Flujo de partículas : En capas dobles no relativistas que transportan corriente, los electrones son los principales responsables de la corriente. La condición de Langmuir establece que la relación entre la corriente de electrones y la de iones a través de la capa viene dada por la raíz cuadrada de la relación de masas entre los iones y los electrones. ^{[ 26 ]} En capas dobles relativistas, la relación de corrientes es 1; es decir, la corriente es transportada por igual por electrones e iones.
• Suministro de energía : La caída de tensión instantánea a través de una doble capa conductora de corriente es proporcional a la corriente total y similar a la que se produce a través de un elemento resistivo (o carga), que disipa energía en un circuito eléctrico. Una doble capa no puede suministrar energía neta por sí sola.
• Estabilidad : Las capas dobles en plasmas de laboratorio pueden ser estables o inestables dependiendo del régimen de parámetros. ^{[ 27 ]} Pueden ocurrir varios tipos de inestabilidades, a menudo debido a la formación de haces de iones y electrones. Las capas dobles inestables son ruidosas en el sentido de que producen oscilaciones en una amplia banda de frecuencia. Una falta de estabilidad del plasma también puede conducir a un cambio repentino en la configuración, a menudo denominado explosión (y por lo tanto, explosión de capa doble ). En un ejemplo, la región encerrada en la capa doble se expande y evoluciona rápidamente. ^{[ 28 ]} Una explosión de este tipo se descubrió por primera vez en rectificadores de arco de mercurio utilizados en líneas de transmisión de corriente continua de alta potencia, donde se observó que la caída de voltaje a través del dispositivo aumentaba en varios órdenes de magnitud. Las capas dobles también pueden derivar, generalmente en la dirección del haz de electrones emitido , y en este sentido son análogos naturales al magnetrón de orificio liso. ^{[ 29 ]}
• Plasmas magnetizados : Se pueden formar capas dobles tanto en plasmas magnetizados como en plasmas no magnetizados.
• Naturaleza celular : Si bien las capas dobles son relativamente delgadas, se extenderán por toda la superficie transversal de un recipiente de laboratorio. Del mismo modo, cuando las regiones de plasma adyacentes tengan propiedades diferentes, se formarán capas dobles que tenderán a celularizar las distintas regiones. ^{[ 30 ]}

• Transferencia de energía : Las capas dobles pueden facilitar la transferencia de energía eléctrica a energía cinética ,${\displaystyle \mathrm {d} W/\mathrm {d} t=I\Delta V}$donde I es la corriente eléctrica que disipa energía en una doble capa con una caída de voltaje de Δ V. Alfvén señala que la corriente bien puede consistir exclusivamente en partículas de baja energía. ^{[ 32 ]} Torvén et al. han postulado que el plasma puede transferir espontáneamente energía almacenada magnéticamente en energía cinética mediante dobles capas eléctricas. ^{[ 33 ]} Sin embargo, no se ha presentado ningún mecanismo creíble para producir tales dobles capas. Los propulsores iónicos pueden proporcionar un caso más directo de transferencia de energía de potenciales opuestos en forma de dobles capas producidas por un campo eléctrico externo.
• Doble capa oblicua : Una doble capa oblicua tiene campos eléctricos que no son paralelos al campo magnético ambiente; es decir, no está alineada con el campo.
• Simulación : Las capas dobles pueden modelarse mediante modelos cinéticos computacionales, como las simulaciones de partículas en celda (PIC). En algunos casos, el plasma se trata como esencialmente unidimensional o bidimensional para reducir el coste computacional de la simulación.
• Criterio de Bohm : Una doble capa no puede existir en todas las circunstancias. Para producir un campo eléctrico que se anule en los límites de la doble capa, un criterio de existencia establece que existe un máximo para la temperatura del plasma ambiente. Este es el llamado criterio de Bohm. ^{[ 34 ]}
• Analogía biofísica : Se ha utilizado un modelo de capas dobles de plasma para investigar su aplicabilidad a la comprensión del transporte de iones a través de las membranas celulares biológicas. ^{[ 35 ]} Investigadores brasileños han señalado que "Conceptos como neutralidad de carga , longitud de Debye y capa doble son muy útiles para explicar las propiedades eléctricas de una membrana celular ". ^{[ 36 ]} El físico de plasma Hannes Alfvén también señaló la asociación de capas dobles con la estructura celular, ^{[ 37 ]} como lo había hecho Irving Langmuir antes que él, quien acuñó el término "plasma" por su semejanza con las células sanguíneas. ^{[ 38 ]}

En un plasma de baja densidad, las regiones localizadas de carga espacial pueden generar grandes caídas de potencial a lo largo de distancias del orden de decenas de longitudes de Debye. Estas regiones se conocen como capas dobles eléctricas . Una capa doble eléctrica es la distribución de carga espacial más simple que produce una caída de potencial en la capa y un campo eléctrico nulo a cada lado de la misma. En el laboratorio, las capas dobles se han estudiado durante medio siglo, pero su importancia en los plasmas cósmicos no ha sido reconocida de forma generalizada.

Ya en la década de 1920 se sabía que un plasma tiene una capacidad limitada para mantener la corriente. Irving Langmuir ^{[ 40 ]} caracterizó las capas dobles en el laboratorio y las denominó vainas dobles. En la década de 1950 se inició un estudio exhaustivo de las capas dobles en el laboratorio. ^{[ 41 ]} Muchos grupos siguen trabajando en este tema teórica, experimental y numéricamente. Hannes Alfvén (el creador de la magnetohidrodinámica a partir de experimentos de laboratorio) propuso por primera vez que las luces polares o auroras boreales se crean por electrones acelerados en la magnetosfera terrestre. ^{[ 42 ]} Supuso que los electrones eran acelerados electrostáticamente por un campo eléctrico localizado en un pequeño volumen delimitado por dos regiones cargadas, y que la denominada capa doble aceleraría los electrones hacia la Tierra. Desde entonces, se han propuesto otros mecanismos que involucran interacciones onda-partícula como factibles, a partir de extensos estudios in situ espaciales y temporales de las características de las partículas aurorales . ^{[ 43 ]}

Se han realizado numerosas investigaciones de la magnetosfera y las regiones aurorales utilizando cohetes y satélites. McIlwain descubrió, durante un vuelo en cohete en 1960, que el espectro de energía de los electrones aurorales presentaba un pico que entonces se consideraba demasiado agudo para ser producido por un proceso aleatorio, lo que sugería, por lo tanto, que un proceso ordenado era el responsable. ^{[ 44 ]} En 1977 se informó que los satélites habían detectado la señal de capas dobles como choques electrostáticos en la magnetosfera. ^{[ 45 ]} El satélite Viking obtuvo indicios de campos eléctricos paralelos a las líneas del campo geomagnético, ^{[ 46 ]} que mide las estructuras de potencial diferencial en la magnetosfera con sondas montadas en brazos de 40 m de longitud. Estas sondas midieron la densidad local de partículas y la diferencia de potencial entre dos puntos separados por 80 m. Se midieron excursiones de potencial asimétricas con respecto a 0 V, que se interpretaron como una capa doble con un potencial neto dentro de la región. Las capas dobles magnetosféricas suelen tener una intensidad${\displaystyle e\phi _{DL}/k_{B}T_{e}\approx 0.1}$(donde se supone que la temperatura electrónica se encuentra en el rango${\displaystyle 2eV\leq k_{B}T_{e}\leq 20eV}$y, por lo tanto, son débiles. Una serie de tales capas dobles tenderían a fusionarse, como una cadena de imanes de barra, y disiparse, incluso dentro de un plasma enrarecido. Aún no se ha explicado cómo una distribución de carga localizada en forma de capas dobles podría proporcionar una fuente de energía para los electrones aurorales precipitados en la atmósfera.

La interpretación de los datos de la nave espacial FAST propuso fuertes capas dobles en la región de aceleración auroral. ^{[ 47 ]} Andersson et al. también informaron de fuertes capas dobles en la región de corriente descendente. ^{[ 48 ]} Se infirió que los campos eléctricos paralelos con amplitudes que alcanzan casi 1 V/m estaban confinados a una capa delgada de aproximadamente 10 longitudes de Debye. Se afirma que las estructuras se movían "aproximadamente a la velocidad acústica de los iones en la dirección de los electrones acelerados, es decir, en sentido contrario a la Tierra". Esto plantea la cuestión de qué papel, si lo hay, podrían desempeñar las capas dobles en la aceleración de los electrones aurorales que se precipitan hacia abajo en la atmósfera desde la magnetosfera. ^{[ 49 ]} Las misiones espaciales Cluster y MMS también han encontrado capas dobles en la magnetosfera terrestre . ^{[ 50 ] [ 51 ]}

El posible papel de los electrones precipitantes de 1 a 10 keV en la generación de dichas capas dobles o campos eléctricos observados rara vez se ha considerado o analizado. De igual modo, la cuestión general de cómo podrían generarse dichas capas dobles a partir de una fuente de energía alternativa, o cuál podría ser la distribución espacial de la carga eléctrica para producir cambios netos de energía, rara vez se aborda. En condiciones de laboratorio, se dispone de una fuente de alimentación externa.

En el laboratorio, se pueden crear capas dobles en diferentes dispositivos. Se investigan en máquinas de plasma doble, máquinas de plasma triple y máquinas Q. Las estructuras de potencial estacionarias que se pueden medir en estas máquinas concuerdan muy bien con lo que se esperaría teóricamente. Un ejemplo de una capa doble de laboratorio se puede ver en la figura siguiente, tomada de Torvén y Lindberg (1980), donde podemos ver cuán bien definida y confinada es la caída de potencial de una capa doble en una máquina de plasma doble. Uno de los aspectos interesantes del experimento de Torvén y Lindberg (1980) ^{[ 52 ]} es que no solo midieron la estructura de potencial en la máquina de plasma doble, sino que también encontraron campos eléctricos fluctuantes de alta frecuencia en el lado de alto potencial de la capa doble (también mostrados en la figura). Estas fluctuaciones probablemente se deban a una interacción haz-plasma fuera de la capa doble, que excita la turbulencia del plasma. Sus observaciones son consistentes con los experimentos sobre radiación electromagnética emitida por capas dobles en una máquina de plasma doble realizada por Volwerk (1993), ^{[ 53 ]} quien, sin embargo, también observó radiación de la propia capa doble.

La potencia de estas fluctuaciones tiene un máximo alrededor de la frecuencia de plasma del plasma ambiente. Posteriormente se informó que las fluctuaciones electrostáticas de alta frecuencia cerca de la doble capa pueden concentrarse en una región estrecha, a veces llamada pico de hf. ^{[ 54 ]} Posteriormente, se observó que tanto las emisiones de radio, cerca de la frecuencia de plasma, como las ondas silbadoras a frecuencias mucho más bajas emergían de esta región. ^{[ 55 ]} Se observaron estructuras de ondas silbadoras similares junto con haces de electrones cerca de la luna Encélado de Saturno , ^{[ 56 ]} lo que sugiere la posible presencia de una doble capa a menor altitud.

Un avance reciente en los experimentos de doble capa en el laboratorio es la investigación de las denominadas dobles capas escalonadas. Se ha observado que una caída de potencial en una columna de plasma puede dividirse en diferentes partes. Las transiciones de una sola doble capa a dobles capas de dos, tres o más escalones son altamente sensibles a las condiciones de contorno del plasma.

A diferencia de los experimentos de laboratorio, el concepto de tales capas dobles en la magnetosfera, y su posible papel en la creación de la aurora, se ve limitado por la falta de una fuente de energía constante identificada hasta el momento. Sin embargo, el potencial eléctrico característico de las capas dobles podría indicar que las observadas en la zona auroral son un producto secundario de electrones precipitantes que han sido energizados de otras maneras, como por ondas electrostáticas. Algunos científicos han sugerido un papel de las capas dobles en las erupciones solares. ^{[ 57 ] [ 58 ]} Establecer dicho papel indirectamente es incluso más difícil de verificar que postular que las capas dobles actúan como aceleradores de electrones aurorales dentro de la magnetosfera terrestre. Incluso en ese caso, se han planteado serias dudas sobre su papel. ^{[ 59 ]}

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