Nu hebben wetenschappers ontdekkingen gedaan over lichtdeeltjes die bekend staan ​​als fotonen en die de zoektocht naar fusie-energie zouden kunnen ondersteunen. Door een reeks wiskundige berekeningen uit te voeren, ontdekten de onderzoekers dat een van de basiseigenschappen van een foton topologisch is, wat betekent dat deze niet verandert, zelfs niet als het foton door verschillende materialen en omgevingen beweegt.

Deze eigenschap is polarisatie, de richting (links of rechts) die elektrische velden aannemen als ze rond een foton bewegen. Vanwege fundamentele natuurwetten helpt de polarisatie van een foton de richting waarin het foton reist te bepalen en wordt de beweging ervan beperkt. Daarom kan een lichtbundel die alleen bestaat uit fotonen met één type polarisatie zich niet naar elk deel van een bepaalde ruimte verspreiden. Deze bevindingen demonstreren de sterke punten van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) op het gebied van theoretische natuurkunde en fusieonderzoek.

"Het hebben van een nauwkeuriger begrip van de fundamentele aard van fotonen zou ertoe kunnen leiden dat wetenschappers betere lichtbundels ontwerpen voor het verwarmen en meten van plasma", zegt Hong Qin, een hoofdonderzoeksfysicus bij de PPPL van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) en co-auteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in Fysieke beoordeling D.

Een ingewikkeld probleem vereenvoudigen

Hoewel de onderzoekers individuele fotonen bestudeerden, deden ze dit als een manier om een ​​groter, moeilijker probleem op te lossen:hoe je bundels van intens licht kunt gebruiken om langdurige verstoringen in het plasma op te wekken die zouden kunnen helpen de hoge temperaturen in stand te houden die nodig zijn voor fusie .

Deze schommelingen staan ​​bekend als topologische golven en komen vaak voor op de grens van twee verschillende gebieden, zoals plasma en het vacuüm in tokamaks aan de buitenrand. Ze zijn niet bepaald exotisch:ze komen van nature voor in de atmosfeer van de aarde, waar ze El Niño helpen produceren, een verzameling warm water in de Stille Oceaan die het weer in Noord- en Zuid-Amerika beïnvloedt.

Om deze golven in plasma te produceren, moeten wetenschappers een beter begrip hebben van licht – in het bijzonder dezelfde soort radiofrequentiegolf die in magnetrons wordt gebruikt – die natuurkundigen al gebruiken om plasma te verwarmen. Met een groter begrip ontstaat een grotere mogelijkheid tot controle.

"We proberen soortgelijke golven voor fusie te vinden", zei Qin. "Ze zijn niet gemakkelijk te stoppen, dus als we ze in plasma zouden kunnen creëren, zouden we de efficiëntie van plasmaverwarming kunnen verhogen en de voorwaarden voor fusie kunnen helpen creëren."

De techniek lijkt op het luiden van een bel. Net zoals het gebruik van een hamer om op een bel te slaan ervoor zorgt dat het metaal zo beweegt dat er geluid ontstaat, willen de wetenschappers plasma met licht raken zodat het op een bepaalde manier wiebelt om aanhoudende hitte te creëren.

Een probleem oplossen door het te vereenvoudigen, gebeurt in de hele wetenschap. "Als je een nummer op de piano leert spelen, begin je niet met het hele nummer op volle snelheid te spelen", zegt Eric Palmerduca, een afgestudeerde student aan het Princeton Program in Plasma Physics, dat is gebaseerd op PPPL, en hoofdauteur van het artikel.

"Je begint het in een langzamer tempo te spelen; je verdeelt het in kleine delen; misschien leer je elke hand afzonderlijk. We doen dit de hele tijd in de wetenschap:een groter probleem opsplitsen in kleinere problemen, die een of twee tegelijk oplossen. , en ze vervolgens weer bij elkaar te brengen om het grote probleem op te lossen."

Draai, draai, draai

Naast de ontdekking dat de polarisatie van een foton topologisch is, ontdekten de wetenschappers ook dat de draaiende beweging van fotonen niet kon worden gescheiden in interne en externe componenten. Denk aan de aarde:die draait om zijn as en produceert dag en nacht, en draait om de zon, waardoor de seizoenen ontstaan.

Deze twee soorten bewegingen hebben doorgaans geen invloed op elkaar; De rotatie van de aarde om haar as is bijvoorbeeld niet afhankelijk van haar revolutie om de zon. In feite kan de draaibeweging van alle objecten met massa op deze manier worden gescheiden. Maar wetenschappers zijn nog niet zo zeker van deeltjes als fotonen, die geen massa hebben.

"De meeste experimentatoren gaan ervan uit dat het impulsmoment van licht kan worden opgesplitst in spin- en orbitaal impulsmoment", zegt Palmerduca. "Onder theoretici is er echter een lang debat gaande over de juiste manier om deze splitsing uit te voeren, of dat het überhaupt mogelijk is om deze splitsing uit te voeren. Ons werk helpt dit debat te beslechten en laat zien dat het impulsmoment van fotonen niet kan worden opgesplitst in spin en orbitale componenten."

Bovendien stelden Palmerduca en Qin vast dat de twee bewegingscomponenten niet kunnen worden gesplitst vanwege de topologische, onveranderlijke eigenschappen van een foton, zoals zijn polarisatie. Deze nieuwe bevinding heeft implicaties voor het laboratorium. "Deze resultaten betekenen dat we een betere theoretische verklaring nodig hebben van wat er aan de hand is in onze experimenten", aldus Palmerduca.

Al deze bevindingen over fotonen geven de onderzoekers een duidelijker beeld van hoe licht zich gedraagt. Met een beter begrip van lichtstralen hopen ze erachter te komen hoe ze topologische golven kunnen creëren die nuttig kunnen zijn voor kernfusieonderzoek.

Inzichten voor theoretische natuurkunde

Palmerduca merkt op dat de fotonbevindingen de sterke punten van PPPL in de theoretische natuurkunde aantonen. De bevindingen hebben betrekking op een wiskundig resultaat dat bekend staat als de Hairy Ball Theorem.

“De stelling stelt dat als je een bal hebt die bedekt is met haren, je niet alle haren plat kunt kammen zonder ergens op de bal een kuif te creëren. Natuurkundigen dachten dat dit impliceerde dat je geen lichtbron zou kunnen hebben die fotonen alle kanten op stuurt. tegelijkertijd," zei Palmerduca.

Hij en Qin ontdekten echter dat dit niet klopt, omdat de stelling wiskundig gezien geen rekening houdt met het feit dat elektrische velden van fotonen kunnen roteren.

De bevindingen wijzigen ook het onderzoek van de voormalige hoogleraar natuurkunde van de Universiteit van Princeton, Eugene Wigner, die door Palmerduca werd beschreven als een van de belangrijkste theoretische natuurkundigen van de 20e eeuw. Wigner realiseerde zich dat hij met behulp van principes afgeleid van de relativiteitstheorie van Albert Einstein alle mogelijke elementaire deeltjes in het universum kon beschrijven, zelfs de deeltjes die nog niet ontdekt waren.

Maar hoewel zijn classificatiesysteem accuraat is voor deeltjes met massa, levert het onnauwkeurige resultaten op voor massaloze deeltjes, zoals fotonen. "Qin en ik hebben laten zien dat we door middel van topologie," zei Palmerduca, "de classificatie van Wigner voor massaloze deeltjes kunnen wijzigen, waardoor een beschrijving ontstaat van fotonen die tegelijkertijd in alle richtingen werken."

Een duidelijker begrip voor de toekomst

In toekomstig onderzoek zijn Qin en Palmerduca van plan om te onderzoeken hoe ze nuttige topologische golven kunnen creëren die plasma verwarmen, zonder nutteloze variëteiten te maken die de warmte wegzuigen.

"Sommige schadelijke topologische golven kunnen onbedoeld worden opgewekt, en we willen ze begrijpen zodat ze uit het systeem kunnen worden verwijderd", zei Qin. "In die zin zijn topologische golven als nieuwe soorten insecten. Sommige zijn gunstig voor de tuin, en andere zijn ongedierte."

Ondertussen zijn ze enthousiast over de huidige bevindingen. "We hebben een duidelijker theoretisch begrip van de fotonen die kunnen helpen topologische golven op te wekken", zei Qin. "Nu is het tijd om iets te bouwen, zodat we ze kunnen gebruiken in de zoektocht naar fusie-energie."