Nye opdagelser om lysets natur kunne forbedre metoder til opvarmning af fusionsplasma

Både bogstaveligt og billedligt talt gennemsyrer lys verden. Den fordriver mørket, formidler telekommunikationssignaler mellem kontinenter og synliggør det usynlige, fra fjerne galakser til den mindste bakterie. Lys kan også hjælpe med at opvarme plasmaet i ringformede enheder kendt som tokamaks, da videnskabsmænd verden over stræber efter at udnytte fusionsprocessen til at generere grøn elektricitet.

Nu har videnskabsmænd gjort opdagelser om lyspartikler kendt som fotoner, der kunne hjælpe med søgen efter fusionsenergi. Ved at udføre en række matematiske beregninger fandt forskerne ud af, at en af ​​en fotons grundlæggende egenskaber er topologisk, hvilket betyder, at den ikke ændrer sig, selvom fotonen bevæger sig gennem forskellige materialer og miljøer.

Denne egenskab er polarisering, retningen - venstre eller højre - som elektriske felter tager, når de bevæger sig rundt om en foton. På grund af grundlæggende fysiske love hjælper en fotons polarisering med at bestemme retningen fotonen bevæger sig og begrænser dens bevægelse. Derfor kan en lysstråle, der kun består af fotoner med én type polarisering, ikke spredes ind i alle dele af et givet rum. Disse resultater demonstrerer Princeton Plasma Physics Laboratorys (PPPL) styrker inden for teoretisk fysik og fusionsforskning.

"At have en mere nøjagtig forståelse af fotonernes grundlæggende natur kan føre til, at forskere designer bedre lysstråler til opvarmning og måling af plasma," sagde Hong Qin, en ledende forskningsfysiker ved det amerikanske energiministeriums (DOE) PPPL og medforfatter til et papir, der rapporterer resultaterne i Physical Review D.

Forenkling af et kompliceret problem

Selvom forskerne studerede individuelle fotoner, gjorde de det som en måde at løse et større, vanskeligere problem - hvordan man bruger stråler af intenst lys til at ophidse langvarige forstyrrelser i plasmaet, der kunne hjælpe med at opretholde de høje temperaturer, der er nødvendige for fusion .

Kendt som topologiske bølger, forekommer disse vrikker ofte på grænsen af ​​to forskellige regioner, som plasma og vakuumet i tokamaks ved dens ydre kant. De er ikke specielt eksotiske – de forekommer naturligt i Jordens atmosfære, hvor de hjælper med at producere El Niño, en samling af varmt vand i Stillehavet, der påvirker vejret i Nord- og Sydamerika.

For at producere disse bølger i plasma skal videnskabsmænd have en større forståelse af lys - specifikt den samme slags radiofrekvensbølger, der bruges i mikrobølgeovne - som fysikere allerede bruger til at opvarme plasma. Med større forståelse kommer den større mulighed for kontrol.

"Vi forsøger at finde lignende bølger til fusion," sagde Qin. "De stoppes ikke let, så hvis vi kunne skabe dem i plasma, kunne vi øge effektiviteten af ​​plasmaopvarmning og være med til at skabe betingelserne for fusion."

Teknikken minder om at ringe med en klokke. Ligesom det at bruge en hammer til at slå en klokke får metallet til at bevæge sig på en sådan måde, at det skaber lyd, vil forskerne gerne slå plasma med lys, så det vrikker på en bestemt måde for at skabe vedvarende varme.

At løse et problem ved at forenkle det sker i hele videnskaben. "Hvis du lærer at spille en sang på klaveret, starter du ikke med at prøve at spille hele sangen i fuld fart," siger Eric Palmerduca, en kandidatstuderende på Princeton Program i Plasma Fysik, som er baseret på kl. PPPL, og hovedforfatter af papiret.

"Du begynder at spille det i et langsommere tempo; du deler det op i små dele; måske lærer du hver hånd separat. Vi gør det hele tiden i videnskaben - deler et større problem op i mindre problemer, løser dem en eller to ad gangen , og derefter sætte dem sammen igen for at løse det store problem."

Drej, drej, drej

Ud over at opdage, at en fotons polarisering er topologisk, fandt forskerne ud af, at fotonernes roterende bevægelse ikke kunne adskilles i interne og eksterne komponenter. Tænk på Jorden:Den både snurrer om sin akse og producerer dag og nat og kredser om solen og producerer årstiderne.

Disse to typer bevægelse påvirker typisk ikke hinanden; for eksempel afhænger Jordens rotation omkring sin akse ikke af dens omdrejning omkring solen. Faktisk kan drejebevægelsen af ​​alle objekter med masse adskilles på denne måde. Men videnskabsmænd har ikke været så sikre på partikler som fotoner, der ikke har masse.

"De fleste eksperimentelister antager, at lysets vinkelmomentum kan opdeles i spin og orbital vinkelmomentum," sagde Palmerduca. "Men blandt teoretikere har der været en lang debat om den korrekte måde at gøre denne opdeling på, eller om det overhovedet er muligt at udføre denne opsplitning. Vores arbejde hjælper med at afgøre denne debat og viser, at fotonernes vinkelmomentum ikke kan opdeles i spin og orbitale komponenter."

Desuden fastslog Palmerduca og Qin, at de to bevægelseskomponenter ikke kan opdeles på grund af en fotons topologiske, uforanderlige egenskaber, såsom dens polarisering. Dette nye fund har konsekvenser for laboratoriet. "Disse resultater betyder, at vi har brug for en bedre teoretisk forklaring på, hvad der foregår i vores eksperimenter," sagde Palmerduca.

Alle disse fund om fotoner giver forskerne et klarere billede af, hvordan lys opfører sig. Med en større forståelse af lysstråler håber de at finde ud af, hvordan man kan skabe topologiske bølger, der kunne være nyttige til fusionsforskning.

Indsigt til teoretisk fysik

Palmerduca bemærker, at fotonfundene demonstrerer PPPLs styrker inden for teoretisk fysik. Resultaterne relaterer sig til et matematisk resultat kendt som Hairy Ball Theorem.

"Sætningen siger, at hvis du har en kugle dækket med hår, kan du ikke rede alle hårene fladt uden at skabe et cowlick et eller andet sted på bolden. Fysikere mente, at dette indebar, at du ikke kunne have en lyskilde, der sender fotoner i alle retninger på samme tid," sagde Palmerduca.

Han og Qin fandt dog ud af, at dette ikke er korrekt, fordi sætningen matematisk ikke tager højde for, at fotonelektriske felter kan rotere.

Resultaterne ændrer også forskning af tidligere Princeton University professor i fysik Eugene Wigner, som Palmerduca beskrev som en af ​​de vigtigste teoretiske fysikere i det 20. århundrede. Wigner indså, at han ved hjælp af principper afledt af Albert Einsteins relativitetsteori kunne beskrive alle de mulige elementarpartikler i universet, selv dem, der endnu ikke var blevet opdaget.

Men mens hans klassifikationssystem er nøjagtigt for partikler med masse, producerer det unøjagtige resultater for masseløse partikler, som fotoner. "Qin og jeg viste, at ved at bruge topologi," sagde Palmerduca, "kan vi ændre Wigners klassificering for masseløse partikler, hvilket giver en beskrivelse af fotoner, der virker i alle retninger på samme tid."

En klarere forståelse for fremtiden

I fremtidig forskning planlægger Qin og Palmerduca at undersøge, hvordan man kan skabe gavnlige topologiske bølger, der opvarmer plasma uden at lave uhensigtsmæssige varianter, der suger varmen væk.

"Nogle skadelige topologiske bølger kan exciteres utilsigtet, og vi ønsker at forstå dem, så de kan fjernes fra systemet," sagde Qin. "På denne måde er topologiske bølger som nye insekteracer. Nogle er gavnlige for haven, og nogle af dem er skadedyr."

I mellemtiden er de begejstrede for de aktuelle resultater. "Vi har en klarere teoretisk forståelse af de fotoner, der kan hjælpe med at excitere topologiske bølger," sagde Qin. "Nu er det tid til at bygge noget, så vi kan bruge dem i vores søgen efter fusionsenergi."