Kontrollerad kärnfusion har varit en helig gral för fysiker som söker en oändlig tillgång på ren energi. Forskare vid Rice University, University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Chile erbjöd en inblick i en möjlig ny väg mot det målet.

Deras rapport om kvantkontrollerad fusion ger tanken att snarare än att värma atomer till temperaturer som finns i solen eller krossa dem i en kolliderare, det kan vara möjligt att knuffa dem tillräckligt nära för att smälta ihop med hjälp av formade laserpulser:ultrakort, avstämda skurar av sammanhängande ljus.

Författare Peter Wolynes of Rice, Martin Gruebele från Illinois och Illinois alumn Eduardo Berrios från Chile simulerade reaktioner i två dimensioner som, om den extrapoleras till tre, kan bara producera energi effektivt från deuterium och tritium eller andra element.

Deras papper visas i festschrift -upplagan av Kemiska fysiska bokstäver tillägnad Ahmed Zewail, Gruebeles postdoktorala rådgivare och nobelpristagare för sitt arbete med femtokemi, där femtosekundslånga laserblixtar utlöser kemiska reaktioner.

Den femtokemiska tekniken är central för den nya idén att kärnor kan skjutas tillräckligt nära för att övervinna Coulomb -barriären som tvingar atomer med liknande laddning att stöta bort varandra. När det är klart, atomer kan smälta och släppa ut värme genom neutronspridning. När mer energi skapas än det krävs för att upprätthålla reaktionen, ihållande fusion blir livskraftig.

Tricket är att göra allt detta på ett kontrollerat sätt, och forskare har bedrivit ett sådant trick i årtionden, främst genom att innehålla vätgasplasma vid solliknande temperaturer (vid U.S. Department of Energy National Ignition Facility och International Thermonuclear Experimental Reactor-insats i Frankrike) och i stora anläggningar.

Den nya artikeln beskriver en grundläggande princip-bevis-simulering som visar hur, i två dimensioner, en formad laserpuls skulle driva en molekyl av deuterium och tritium, dess kärnor redan redo på ett mycket mindre interkärnavstånd än i en plasma, nästan tillräckligt nära för att smälta ihop. "Det som hindrar dem från att gå samman är kärnornas positiva laddning, och båda dessa kärnor har den minsta laddningen, 1, Sa Wolynes.

Han sa att 2-D-simuleringar var nödvändiga för att hålla iterativa beräkningar praktiska, även om detta krävde avlägsnande av elektroner från modellmolekylerna. "Det bästa sättet att göra det skulle vara att låta elektronerna vara på för att hjälpa processen och kontrollera deras rörelser, men det är ett högre dimensionellt problem som vi-eller någon-kommer att ta itu med i framtiden, Sa Wolynes.

Utan elektronerna, det var fortfarande möjligt att föra kärnor inom en liten bråkdel av en ångström genom att simulera effekterna av formad 5-femtosekund, nära-infraröda laserpulser, som höll kärnorna ihop i en "fältbunden" molekyl.

"I årtionden, forskare har också undersökt muonkatalyserad fusion, där elektronen i deuterium/tritiummolekylen ersätts av en muon, "Gruebele sa." Tänk på det som en 208 gånger tyngre elektron. Som ett resultat, molekylbindningsavståndet krymper med en faktor 200, gör kärnorna ännu bättre för fusion.

"Tyvärr, muoner lever inte för alltid, och den ökade sammansmältningseffektiviteten är bara bristfällig även i energiproduktionen, "sa han." Men när formade vakuum ultravioletta laserpulser blir lika tillgängliga som de nära-infraröda som vi simulerade här, kvantkontroll av muonisk fusion kan få den över tröskeln. "

Eftersom modellen fungerar på kvantnivå - där subatomära partiklar är föremål för olika regler och har egenskaper hos både partiklar och vågor - spelar Heisenbergs osäkerhetsprincip in. Det gör det omöjligt att veta den exakta platsen för partiklar och gör tuning av lasrarna en utmaning, Sa Wolynes.

"Det är klart vilken typ av pulser du behöver måste vara mycket skulpterade och ha många frekvenser i dem, "sa han." Det kommer förmodligen att ta experiment för att ta reda på vad den bästa pulsformen ska vara, men tritium är radioaktivt, så ingen vill någonsin lägga tritium i sin apparat förrän de är säkra på att det kommer att fungera. "

Wolynes sa att han och Gruebele, vars laboratorium studerar proteinvikning, celldynamik, nanostrukturmikroskopi, fisk simning beteende och andra ämnen, har tänkt på möjligheterna i ungefär ett decennium, även om kärnfusion är mer en hobby än ett yrke för båda. "Vi fick äntligen modet att säga, 'Väl, det är värt att säga något om det.

"Vi startar inte ett företag ... ännu, "sa han." Men det kan finnas vinklar här andra människor kan tänka igenom som skulle leda till något praktiskt även på kort sikt, såsom produktion av korta alfa -partikelpulser som kan vara användbara i forskningstillämpningar.

"Jag skulle ljuga om jag sa att när vi började beräkningen, Jag hoppades inte att det bara skulle lösa mänsklighetens energiproblem, "Sade Wolynes." Vid det här laget, det gör det inte. Å andra sidan, Jag tycker att det är en intressant fråga som startar oss på en ny väg. "