Både bokstavligt och bildligt genomsyrar ljus världen. Den förvisar mörker, förmedlar telekommunikationssignaler mellan kontinenter och synliggör det osynliga, från avlägsna galaxer till den minsta bakterien. Ljus kan också hjälpa till att värma plasman i ringformade enheter som kallas tokamaks eftersom forskare över hela världen strävar efter att utnyttja fusionsprocessen för att generera grön el.
Nu har forskare gjort upptäckter om ljuspartiklar som kallas fotoner som kan hjälpa till i jakten på fusionsenergi. Genom att utföra en serie matematiska beräkningar fann forskarna att en av en fotons grundläggande egenskaper är topologisk, vilket betyder att den inte förändras även när fotonen rör sig genom olika material och miljöer.
Denna egenskap är polarisering, riktningen - vänster eller höger - som elektriska fält tar när de rör sig runt en foton. På grund av grundläggande fysiska lagar hjälper en fotons polarisering att bestämma riktningen som fotonen färdas och begränsar dess rörelse. Därför kan en ljusstråle som består av endast fotoner med en typ av polarisation inte spridas till varje del av ett givet utrymme. Dessa fynd visar Princeton Plasma Physics Laboratorys (PPPL) styrkor inom teoretisk fysik och fusionsforskning.
"Att ha en mer exakt förståelse av fotonernas grundläggande natur kan leda till att forskare designar bättre ljusstrålar för uppvärmning och mätning av plasma", säger Hong Qin, en forskningsfysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) PPPL och medförfattare till ett dokument som rapporterar resultaten i Physical Review D.
Även om forskarna studerade enskilda fotoner, gjorde de det som ett sätt att lösa ett större och svårare problem - hur man använder strålar av intensivt ljus för att excitera långvariga störningar i plasman som kan hjälpa till att upprätthålla de höga temperaturer som behövs för fusion .
Kända som topologiska vågor, dessa vickningar förekommer ofta på gränsen mellan två olika regioner, som plasma och vakuumet i tokamaks vid dess yttre kant. De är inte särskilt exotiska – de förekommer naturligt i jordens atmosfär, där de hjälper till att producera El Niño, en samling av varmt vatten i Stilla havet som påverkar vädret i Nord- och Sydamerika.
För att producera dessa vågor i plasma måste forskare ha en större förståelse för ljus - närmare bestämt samma sorts radiofrekvensvågor som används i mikrovågsugnar - som fysiker redan använder för att värma plasma. Med större förståelse kommer större möjlighet till kontroll.
"Vi försöker hitta liknande vågor för fusion", sa Qin. "De är inte lätta att stoppa, så om vi kunde skapa dem i plasma skulle vi kunna öka effektiviteten för plasmauppvärmning och bidra till att skapa förutsättningar för fusion."
Tekniken liknar att ringa en klocka. Precis som att använda en hammare för att slå en klocka får metallen att röra sig på ett sådant sätt att den skapar ljud, vill forskarna slå plasma med ljus så att den vickar på ett visst sätt för att skapa ihållande värme.
Att lösa ett problem genom att förenkla det sker inom hela vetenskapen. "Om du lär dig att spela en låt på piano, börjar du inte med att försöka spela hela låten i full fart", säger Eric Palmerduca, doktorand i Princeton Program in Plasma Physics, som är baserat kl. PPPL och huvudförfattare till tidningen.
"Du börjar spela det i ett långsammare tempo, du delar upp det i små delar; kanske lär du dig varje hand separat. Vi gör det här hela tiden inom vetenskapen – dela upp ett större problem i mindre problem, lösa dem ett eller två åt gången , och sedan sätta ihop dem igen för att lösa det stora problemet."
Förutom att upptäcka att en fotons polarisering är topologisk, fann forskarna att den snurrande rörelsen hos fotoner inte kunde separeras i interna och externa komponenter. Tänk på jorden:den både snurrar runt sin axel, producerar dag och natt, och kretsar runt solen och producerar årstiderna.
Dessa två typer av rörelse påverkar vanligtvis inte varandra; till exempel beror jordens rotation runt sin axel inte på dess rotation runt solen. Faktum är att vridningsrörelsen för alla föremål med massa kan separeras på detta sätt. Men forskare har inte varit så säkra på partiklar som fotoner, som inte har massa.
"De flesta experimentalister antar att ljusets vinkelmoment kan delas upp i spinn och orbital vinkelmomentum," sade Palmerduca. "Men bland teoretiker har det förekommit en lång debatt om det korrekta sättet att göra den här delningen eller om det ens är möjligt att göra den här delningen. Vårt arbete hjälper till att lösa denna debatt och visar att fotonernas vinkelmomentum inte kan delas upp i spinn. och orbitalkomponenter."
Dessutom fastställde Palmerduca och Qin att de två rörelsekomponenterna inte kan delas på grund av en fotons topologiska, oföränderliga egenskaper, som dess polarisering. Detta nya fynd har konsekvenser för laboratoriet. "Dessa resultat betyder att vi behöver en bättre teoretisk förklaring av vad som händer i våra experiment," sa Palmerduca.
Alla dessa fynd om fotoner ger forskarna en tydligare bild av hur ljus beter sig. Med en större förståelse för ljusstrålar hoppas de kunna ta reda på hur man skapar topologiska vågor som kan vara till hjälp för fusionsforskning.
Palmerduca noterar att fotonfynden visar PPPL:s styrkor inom teoretisk fysik. Fynden relaterar till ett matematiskt resultat som kallas Hairy Ball Theorem.
"Satsen säger att om du har en boll täckt med hår, kan du inte kamma alla hårstrån platt utan att skapa en cowlick någonstans på bollen. Fysiker trodde att detta antydde att du inte kunde ha en ljuskälla som skickar fotoner i alla riktningar samtidigt", sa Palmerduca.
Han och Qin fann dock att detta inte är korrekt eftersom satsen inte tar hänsyn, matematiskt, att fotonelektriska fält kan rotera.
Fynden ändrar också forskning av den tidigare professorn i fysik vid Princeton University Eugene Wigner, som Palmerduca beskrev som en av 1900-talets viktigaste teoretiska fysiker. Wigner insåg att med hjälp av principer som härrörde från Albert Einsteins relativitetsteori kunde han beskriva alla möjliga elementarpartiklar i universum, även de som ännu inte hade upptäckts.
Men medan hans klassificeringssystem är korrekt för partiklar med massa, ger det felaktiga resultat för masslösa partiklar, som fotoner. "Qin och jag visade att genom att använda topologi," sa Palmerduca, "kan vi modifiera Wigners klassificering för masslösa partiklar, vilket ger en beskrivning av fotoner som fungerar i alla riktningar samtidigt."
I framtida forskning planerar Qin och Palmerduca att utforska hur man skapar fördelaktiga topologiska vågor som värmer plasma utan att göra ohjälpsamma varianter som suger bort värmen.
"Vissa skadliga topologiska vågor kan exciteras oavsiktligt, och vi vill förstå dem så att de kan tas bort från systemet," sa Qin. "I denna mening är topologiska vågor som nya raser av insekter. Vissa är fördelaktiga för trädgården, och några av dem är skadedjur."
Samtidigt är de exalterade över de aktuella fynden. "Vi har en tydligare teoretisk förståelse av fotoner som kan hjälpa excitera topologiska vågor," sa Qin. "Nu är det dags att bygga något så att vi kan använda dem i jakten på fusionsenergi."
