Sia letteralmente che figurativamente, la luce pervade il mondo. Scaccia le tenebre, trasmette segnali di telecomunicazione tra i continenti e rende visibile l'invisibile, dalle galassie lontane al più piccolo batterio. La luce può anche aiutare a riscaldare il plasma all'interno di dispositivi a forma di anello noti come tokamak mentre gli scienziati di tutto il mondo si sforzano di sfruttare il processo di fusione per generare elettricità verde.
Ora, gli scienziati hanno fatto scoperte sulle particelle leggere conosciute come fotoni che potrebbero aiutare la ricerca dell’energia di fusione. Eseguendo una serie di calcoli matematici, i ricercatori hanno scoperto che una delle proprietà di base di un fotone è topologica, il che significa che non cambia anche quando il fotone si muove attraverso materiali e ambienti diversi.
Questa proprietà è la polarizzazione, la direzione, sinistra o destra, che assumono i campi elettrici mentre si muovono attorno a un fotone. A causa delle leggi fisiche fondamentali, la polarizzazione di un fotone aiuta a determinare la direzione in cui viaggia e ne limita il movimento. Pertanto un fascio di luce formato da soli fotoni con un tipo di polarizzazione non può diffondersi in ogni parte di un dato spazio. Questi risultati dimostrano i punti di forza del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) nella fisica teorica e nella ricerca sulla fusione.
"Avere una comprensione più accurata della natura fondamentale dei fotoni potrebbe portare gli scienziati a progettare fasci di luce migliori per il riscaldamento e la misurazione del plasma", ha affermato Hong Qin, uno dei principali fisici ricercatori presso il PPPL del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e coautore dello studio. un documento che riporta i risultati in Physical Review D.
Sebbene i ricercatori stessero studiando i singoli fotoni, lo stavano facendo per risolvere un problema più ampio e difficile:come utilizzare fasci di luce intensa per eccitare perturbazioni di lunga durata nel plasma che potrebbero aiutare a mantenere le alte temperature necessarie per la fusione. .
Conosciute come onde topologiche, queste oscillazioni si verificano spesso al confine di due regioni diverse, come il plasma e il vuoto nei tokamak al suo bordo esterno. Non sono particolarmente esotici:sono presenti naturalmente nell'atmosfera terrestre, dove contribuiscono a produrre El Niño, una raccolta di acqua calda nell'Oceano Pacifico che influenza il clima nel Nord e nel Sud America.
Per produrre queste onde nel plasma, gli scienziati devono avere una maggiore comprensione della luce – in particolare, dello stesso tipo di onda a radiofrequenza utilizzata nei forni a microonde – che i fisici già utilizzano per riscaldare il plasma. Con una maggiore comprensione arriva una maggiore possibilità di controllo.
"Stiamo cercando di trovare onde simili per la fusione", ha detto Qin. "Non si fermano facilmente, quindi se potessimo crearli nel plasma, potremmo aumentare l'efficienza del riscaldamento del plasma e contribuire a creare le condizioni per la fusione."
La tecnica ricorda il suono di un campanello. Proprio come usare un martello per colpire una campana fa sì che il metallo si muova in modo tale da creare un suono, gli scienziati vogliono colpire il plasma con la luce in modo che si muova in un certo modo per creare calore prolungato.
Risolvere un problema semplificandolo avviene in tutta la scienza. "Se stai imparando a suonare una canzone al pianoforte, non inizi cercando di suonare l'intera canzone a tutta velocità", ha detto Eric Palmerduca, uno studente laureato al Princeton Program in Plasma Physics, che ha sede a PPPL e autore principale dell'articolo.
"Inizi a suonarlo a un ritmo più lento; lo dividi in piccole parti; forse impari ogni mano separatamente. Lo facciamo sempre nella scienza:spezziamo un problema più grande in problemi più piccoli, risolvendoli uno o due alla volta , e poi rimetterli insieme per risolvere il grosso problema."
Oltre a scoprire che la polarizzazione di un fotone è topologica, gli scienziati hanno scoperto che il movimento rotatorio dei fotoni non può essere separato in componenti interni ed esterni. Pensa alla Terra:ruota attorno al suo asse, producendo giorno e notte, e orbita attorno al sole, producendo le stagioni.
Questi due tipi di movimento in genere non si influenzano a vicenda; per esempio, la rotazione della Terra attorno al proprio asse non dipende dalla sua rivoluzione attorno al sole. In effetti, il movimento rotatorio di tutti gli oggetti dotati di massa può essere separato in questo modo. Ma gli scienziati non sono così sicuri riguardo alle particelle come i fotoni, che non hanno massa.
"La maggior parte degli sperimentali ritiene che il momento angolare della luce possa essere suddiviso in spin e momento angolare orbitale", ha affermato Palmerduca. "Tuttavia, tra i teorici, c'è stato un lungo dibattito sul modo corretto di effettuare questa scissione o se sia addirittura possibile farlo. Il nostro lavoro aiuta a risolvere questo dibattito, dimostrando che il momento angolare dei fotoni non può essere suddiviso in spin e componenti orbitali."
Inoltre, Palmerduca e Qin hanno stabilito che le due componenti del movimento non possono essere separate a causa delle proprietà topologiche e immutabili di un fotone, come la sua polarizzazione. Questa nuova scoperta ha implicazioni per il laboratorio. "Questi risultati significano che abbiamo bisogno di una migliore spiegazione teorica di ciò che accade nei nostri esperimenti", ha affermato Palmerduca.
Tutte queste scoperte sui fotoni danno ai ricercatori un quadro più chiaro di come si comporta la luce. Con una maggiore comprensione dei raggi luminosi, sperano di capire come creare onde topologiche che potrebbero essere utili per la ricerca sulla fusione.
Palmerduca osserva che le scoperte sui fotoni dimostrano i punti di forza del PPPL nella fisica teorica. I risultati si riferiscono a un risultato matematico noto come Teorema della Palla Pelosa.
"Il teorema afferma che se hai una palla ricoperta di peli, non puoi pettinarli tutti senza creare un ciuffo ribelle da qualche parte sulla palla. I fisici pensavano che ciò implicasse che non si poteva avere una fonte di luce che invia fotoni in tutte le direzioni allo stesso tempo", ha detto Palmerduca.
Lui e Qin hanno scoperto, tuttavia, che ciò non è corretto perché il teorema non tiene conto, matematicamente, del fatto che i campi elettrici dei fotoni possono ruotare.
I risultati modificano anche la ricerca dell’ex professore di fisica dell’Università di Princeton Eugene Wigner, che Palmerduca descrisse come uno dei fisici teorici più importanti del 20° secolo. Wigner capì che, utilizzando i principi derivati dalla teoria della relatività di Albert Einstein, avrebbe potuto descrivere tutte le possibili particelle elementari dell'universo, anche quelle che non erano ancora state scoperte.
Ma mentre il suo sistema di classificazione è accurato per le particelle dotate di massa, produce risultati imprecisi per le particelle prive di massa, come i fotoni. "Qin e io abbiamo dimostrato che utilizzando la topologia," ha detto Palmerduca, "possiamo modificare la classificazione di Wigner per le particelle prive di massa, fornendo una descrizione dei fotoni che funziona in tutte le direzioni contemporaneamente."
Nella ricerca futura, Qin e Palmerduca intendono esplorare come creare onde topologiche benefiche che riscaldano il plasma senza creare varietà inutili che dirottano via il calore.
"Alcune onde topologiche deleterie possono essere eccitate involontariamente e vogliamo capirle in modo che possano essere rimosse dal sistema", ha detto Qin. "In questo senso, le onde topologiche sono come nuove razze di insetti. Alcune sono benefiche per il giardino, altre sono nocive."
Nel frattempo, sono entusiasti dei risultati attuali. "Abbiamo una comprensione teorica più chiara dei fotoni che potrebbero aiutare a eccitare le onde topologiche", ha detto Qin. "Ora è il momento di costruire qualcosa in modo da poterli utilizzare nella ricerca dell'energia da fusione."
