Další průlom v technologii fúze? | Acamprol

SciTechDaily

Nedávný výzkum odhalil, že polarizace fotonu je topologická vlastnost, která zůstává konstantní v různých prostředích, což je poznatek, který by mohl zlepšit výzkum fúze zlepšením návrhu světelných paprsků používaných pro ohřev plazmatu. Kredit: SciTechDaily

Ukazují to nové studie fotografie polarizace je konstantní v různých prostředích, potenciálně zesílená plazma způsoby ohřevu na podporu energie z jaderné syntézy.

Světlo, doslova i obrazně, prostupuje náš svět. Odstraňuje temnotu, přenáší telekomunikační signály napříč kontinenty a odhaluje neviditelné, od vzdálených galaxií po mikroskopické bakterie. Světlo může také pomoci zahřát plazmu v prstencových zařízeních známých jako tokamaky, protože vědci pracují na využití procesu fúze k výrobě zelené elektřiny.

Nedávno výzkumníci z Princeton Plasma Physics Laboratory zjistili, že jedna ze základních vlastností fotonů – polarizace – je topologická, což znamená, že zůstává konstantní, i když foton prochází různými materiály a prostředími. Tyto výsledky, zveřejněné v Fyzikální vyšetření D, by mohly vést k účinnějším technikám plazmového ohřevu a pokroku ve výzkumu fúze.

Důsledky pro výzkum fúze

Polarizace je směr – doleva nebo doprava –, kterým se elektrická pole pohybují kolem fotonu. Kvůli základním fyzikálním zákonům určuje polarizace fotonu směr, kterým se pohybuje, a omezuje jeho dráhu. V důsledku toho se světelný paprsek sestávající výhradně z fotonů jediného typu polarizace nemůže rozšířit do všech částí daného prostoru.

“Přesnější pochopení základní povahy fotonů může vést výzkumníky k navrhování lepších světelných paprsků pro ohřev a měření plazmatu,” řekl Hong Qin, vedoucí výzkumný fyzik na americkém ministerstvu energetiky (DOE). PPPL a spoluautorem studie.

Foton Concept Art

Umělecký pohled na fotony, částice, které tvoří světlo, narušující plazma. Kredit: Kyle Palmer / PPPL Communications Department

Zjednodušení složitých problémů

Studium fotonů slouží jako prostředek k řešení většího a obtížnějšího problému – jak využít paprsky intenzivního světla k vybuzení dlouhotrvajících poruch v plazmatu, které mohou pomoci udržet vysoké teploty nezbytné pro fúzi.

Tyto vlny, známé jako topologické vlny, se často vyskytují na rozhraní dvou různých oblastí, jako je plazma a vakuum tokamaku na jeho vnějším okraji. Nejsou nijak zvlášť exotické – přirozeně se vyskytují v zemské atmosféře, kde pomáhají produkovat El Niño, soubor teplých vod v Tichém oceánu, který ovlivňuje počasí v Severní a Jižní Americe. K produkci těchto vln v plazmě vědci potřebují větší pochopení světla – konkrétně stejného druhu vysokofrekvenčních vln používaných v mikrovlnných troubách – které fyzici již používají k ohřevu plazmatu.

“Snažíme se najít podobné vlny pro fúzi,” řekl Qin. “Nejdou snadno zastavit, takže pokud bychom je dokázali vytvořit v plazmatu, mohli bychom zvýšit účinnost ohřevu plazmatu a pomoci vytvořit podmínky pro fúzi.” Technika připomíná zvonění. Stejně jako použití kladiva k úderu na zvon způsobí, že se kov pohybuje takovým způsobem, že vytváří zvuk, vědci by rádi zasáhli plazmu světlem tak, aby se určitým způsobem chvělo a vytvořilo trvalé teplo.

Odhalení podstaty pohybu fotonů

Kromě zjištění, že polarizace fotonu je topologická, vědci zjistili, že rotační pohyb fotonů nelze rozdělit na vnitřní a vnější složky. Myslete na Zemi: Otáčí se kolem své osy, vytváří den a noc, a obíhá kolem Slunce a vytváří roční období. Tyto dva typy pohybu se obvykle navzájem neovlivňují; například rotace Země kolem své osy nezávisí na její rotaci kolem Slunce. Ve skutečnosti lze tímto způsobem oddělit rotační pohyb všech hmotných objektů.

Nebylo však jasné, zda to platí pro částice, jako jsou fotony, které nemají žádnou hmotnost. “Většina experimentátorů předpokládá, že moment hybnosti světla lze rozdělit na spin a orbitální moment hybnosti,” řekl Eric Palmerduca, hlavní autor článku a postgraduální student v Princetonském programu ve fyzice plazmatu. “Mezi teoretiky se však vedla dlouhá debata o správném způsobu, jak toto štěpení provést, nebo zda je vůbec možné toto štěpení provést. Naše práce pomáhá tuto debatu urovnat a ukazuje, že moment hybnosti fotonů nelze rozdělit na spin – a orbitální složky.”

Dále Palmerduca a Qin zjistili, že tyto dvě složky pohybu nelze oddělit kvůli topologickým, neměnným vlastnostem fotonu, jako je jeho polarizace. Toto nové zjištění má důsledky pro laboratoř. “Tyto výsledky znamenají, že potřebujeme lepší teoretické vysvětlení toho, co se děje v našich experimentech,” řekl Palmerduca.

Tyto výsledky poskytují vhled do chování světla a podporují cíl výzkumníků vytvořit topologické vlny pro výzkum fúze.

Vhled do teoretické fyziky

Palmerduca poznamenává, že nálezy fotonů demonstrují silné stránky PPPL v teoretické fyzice. Výsledky se vztahují k matematickému výsledku známému jako Věta o vlasech. “Věta říká, že pokud máte kouli pokrytou vlasy, nemůžete učesat všechny chlupy naplocho, aniž byste někde na kouli vytvořili cowlick. Fyzici si mysleli, že to znamená, že nemůžete mít zdroj světla, který posílá fotony do všech On a Qin však zjistili, že to není správné, protože matematicky věta nezohledňuje skutečnost, že se fotoelektrická pole mohou otáčet.

Výsledky také mění předchozí výzkumy Univerzita Princeton Profesor fyziky Eugene Wigner, kterého Palmerduca označil za jednoho z nejvýznamnějších teoretických fyziků 20. století. Wigner si uvědomil, že pomocí principů odvozených z teorie relativity Alberta Einsteina dokáže popsat všechny možné elementární částice ve vesmíru, dokonce i ty, které dosud nebyly objeveny. Ale zatímco jeho klasifikační systém je přesný pro částice s hmotností, poskytuje nepřesné výsledky pro částice bez hmotnosti, jako jsou fotony. “Qin a já jsme ukázali, že pomocí topologie,” řekl Palmerduca, “můžeme upravit Wignerovu klasifikaci pro bezhmotné částice a poskytnout popis fotonů působících ve všech směrech současně.”

Budoucí pokyny

V budoucím výzkumu Qin a Palmerduca plánují prozkoumat, jak vytvořit prospěšné topologické vlny, které ohřívají plazma, aniž by vytvářely neužitečné varianty, které odvádějí teplo. “Některé škodlivé topologické vlny mohou být vybuzeny neúmyslně a my jim chceme porozumět, aby mohly být odstraněny ze systému,” řekl Qin. “Tímto způsobem jsou topologické vlny jako nová plemena hmyzu. Některé jsou pro zahradu prospěšné a některé z nich jsou škůdci.”

Mezitím jsou nadšeni z aktuálních výsledků. “Máme jasnější teoretické znalosti o fotonech, které mohou pomoci vybudit topologické vlny,” řekl Qin. “Nyní je čas něco postavit, abychom je mohli použít při našem hledání energie z jaderné syntézy.”

Reference: “Photon topology” od Erica Palmerducy a Hong Qina, 2. dubna 2024, Fyzikální vyšetření D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.085005

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *