Nuovi studi hanno mostrato che la polarizzazione dei fotoni è costante in ambienti diversi, suggerendo nuovi metodi potenzialmente in grado di riscaldare il plasma all’interno dei reattori per l’energia di fusione.
Fotoni topologici per il riscaldamento del plasma
Recentemente, i ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory hanno scoperto che una delle proprietà fondamentali dei fotoni, la polarizzazione, è topologica, il che significa che rimane costante anche durante la transizione del fotone attraverso vari materiali e ambienti. Questi risultati, pubblicati sulla rivista Physical Review D, potrebbero portare a tecniche di riscaldamento del plasma più efficaci e a progressi nella ricerca sulla fusione.
La polarizzazione è la direzione, sinistra o destra, che assumono i campi elettrici mentre viaggiano attorno a un fotone. A causa delle leggi fisiche fondamentali, la polarizzazione di un fotone determina la direzione in cui viaggia e ne limita il percorso. Di conseguenza, un fascio di luce composto unicamente da fotoni con un unico tipo di polarizzazione non può diffondersi in ogni parte di un dato spazio.
Hong Qin, uno dei principali fisici ricercatori presso il PPPL del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e coautore dello studio ha dichiarato: “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”.
Lo studio dei fotoni serve come mezzo 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: si trovano naturalmente nell’atmosfera terrestre, dove contribuiscono a produrre El Niño, una raccolta di acqua calda nell’Oceano Pacifico che influenza il clima del Nord e del 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.
Qin ha spiegato: “Stiamo cercando di trovare onde simili per la fusione. Non si fermano facilmente, quindi se potessimo crearli nel plasma, potremmo aumentare l’efficienza del riscaldamento dello stesso e contribuire a creare le condizioni per la fusione”.
Svelare la natura del movimento dei fotoni
Oltre a scoprire che la polarizzazione di un fotone è topologica, gli scienziati hanno scoperto che il movimento rotatorio degli stessi non può essere separato in componenti interni ed esterni.
In passato, tuttavia, non era chiaro se ciò fosse vero per particelle come i fotoni, che non hanno massa.
Eric Palmerduca, autore principale dell’articolo e studente laureato al Princeton Program in Plasma Physics ha affermato: “La maggior parte degli sperimentali ritiene che il momento angolare della luce possa essere suddiviso in spin e momento angolare orbitale. Tuttavia, tra i teorici, c’è stato un lungo dibattito sul modo corretto di effettuare questa suddivisione o se sia addirittura possibile effettuarla. Il nostro lavoro ha aiutato a risolvere questo dibattito, dimostrando che il momento angolare dei fotoni non può essere suddiviso in componenti di spin e orbitali”.
Palmerduca e Qin, inoltre, 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 hanno fornito informazioni sul comportamento della luce, favorendo l’obiettivo dei ricercatori di creare onde topologiche per la ricerca sulla fusione.
Conclusioni
Palmerduca ha notato che le scoperte sui fotoni hanno dimostrato i punti di forza del PPPL nella fisica teorica. I risultati si riferiscono a una teoria matematica nota come Teorema della Palla Pelosa.
Palmerduca ha spiegato: “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 hanno pensato che questo potesse implicare la possibilità di non avere una fonte di luce che inviasse fotoni in tutte le direzioni allo stesso tempo”.
Lui e Qin hanno scoperto, tuttavia, che ciò non è corretto poiché il teorema non tiene conto, matematicamente, del fatto che i campi elettrici dei fotoni possono ruotare.
I risultati hanno modificato anche la ricerca dell’ex professore di fisica dell’Università di Princeton Eugene Wigner, che Palmerduca ha descritto come uno dei fisici teorici più importanti del 20° secolo. Wigner ha capito 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. “
Palmerduca ha detto: “Qin e io abbiamo dimostrato che utilizzando la topologia, 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. Nel frattempo, sono entusiasti dei risultati attuali.
Qin ha concluso: “Alcune onde topologiche deleterie possono essere eccitate involontariamente e vogliamo capirle in modo che possano essere rimosse dal sistema. In questo senso, le onde topologiche sono come nuove razze di insetti. Alcuni sono benefici per il giardino, altri sono parassiti. Abbiamo una comprensione teorica più chiara dei fotoni che potrebbero aiutare a eccitare le onde topologiche. Ora è il momento di costruire qualcosa in modo da poterli utilizzare nella ricerca dell’energia da fusione”.
