⚡ Onda de Plasma

Las ondas de Langmuir son longitudinales: la perturbación de densidad electrónica y el campo eléctrico oscilan a lo largo de la dirección de propagación, sin componente de campo magnético. Las ondas electromagnéticas en el plasma son transversales (E y B perpendiculares a k) y solo pueden propagarse por encima de la frecuencia de plasma. Su dispersión es ω² = ωp² + c²k². Ambos tipos son importantes en experimentos de láser-plasma.

Cuando la velocidad de fase de una onda coincide con la velocidad térmica de un electrón, ese electrón surfea la onda: gana y pierde energía alternativamente mientras cabalga la cresta de la onda. En promedio, hay ligeramente más electrones lentos que rápidos en una distribución maxwelliana, así que más electrones ganan energía de la que pierden, resultando en un amortiguamiento neto de la onda. Este es el mecanismo detrás del amortiguamiento de Landau.

Los electrones del viento solar acelerados por erupciones solares producen haces de electrones que excitan ondas de Langmuir cerca de la frecuencia de plasma local (típicamente 10–100 kHz a 1 UA). Estas ondas pueden luego convertirse de modo en radiación electromagnética, produciendo las ráfagas de radio solares de Tipo III observadas por radiotelescopios y naves espaciales como Parker Solar Probe.

La densidad electrónica n es el número de electrones libres por metro cúbico. En la ionosfera n ≈ 10¹² m⁻³; en plasmas de tokamak n ≈ 10²° m⁻³; en plasmas producidos por láser n puede alcanzar 10²· m⁻³ (cerca de la densidad sólida). Las sondas de Langmuir miden la densidad extrayendo corriente electrónica; la interferometría usa el índice de refracción del plasma n₀ = √(1 − ωp²/ω²).

La longitud de Debye λD = √(ε₀kBTe/ne²) es la escala sobre la cual los desequilibrios de carga son apantallados en un plasma. Las ondas de Langmuir con longitudes de onda mucho más cortas que λD están fuertemente amortiguadas por Landau porque los electrones térmicos pueden atravesar fácilmente una longitud de onda. Solo las ondas con kλD << 1 se propagan sin amortiguamiento severo.

Los aceleradores de estela de plasma (PWFA) usan un pulso láser intenso o un paquete de partículas para impulsar una onda de Langmuir de gran amplitud en un plasma. Las partículas que siguen surfean esta onda y pueden acelerarse con gradientes de 10–100 GV/m, miles de veces más fuertes que las cavidades de radiofrecuencia convencionales. La instalación FACET-II en SLAC y EuPRAXIA en Europa están desarrollando esta tecnología para aceleradores compactos de alta energía.

Cuando un láser de alta potencia u onda de bombeo impulsa un plasma, puede descomponerse en dos ondas hijas: una onda de Langmuir y una onda acústica iónica de menor frecuencia (dispersión Raman o Brillouin estimulada). Esta inestabilidad de descomposición paramétrica limita la entrega de energía láser a los blancos de fusión en la fusión por confinamiento inercial (ICF), y es un desafío clave para instalaciones como la National Ignition Facility.