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Des recherches récentes ont révélé que la polarisation d’un photon est une propriété topologique qui reste constante dans différents environnements, une idée qui pourrait améliorer la recherche sur la fusion en améliorant la conception des faisceaux lumineux utilisés pour le chauffage du plasma. Crédit : SciTechDaily

Ceci est démontré par de nouvelles études photo la polarisation est constante dans différents environnements, potentiellement améliorée plasma méthodes de chauffage pour promouvoir l’énergie de fusion.

La lumière, au propre comme au figuré, imprègne notre monde. Il élimine l’obscurité, relaie les signaux de télécommunications à travers les continents et révèle l’invisible, des galaxies lointaines aux bactéries microscopiques. La lumière peut également contribuer à chauffer le plasma dans des dispositifs en forme d’anneau appelés tokamaks, alors que les scientifiques s’efforcent d’exploiter le processus de fusion pour produire de l’électricité verte.

Récemment, des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton ont découvert que l’une des propriétés fondamentales des photons, la polarisation, est topologique, ce qui signifie qu’elle reste constante même si le photon traverse différents matériaux et environnements. Ces résultats, publiés dans Examen physique D, pourrait conduire à des techniques de chauffage du plasma plus efficaces et à des progrès dans la recherche sur la fusion.

Implications pour la recherche sur la fusion

La polarisation est la direction (gauche ou droite) que prennent les champs électriques lorsqu’ils se déplacent autour d’un photon. En raison de lois physiques fondamentales, la polarisation d’un photon dicte la direction dans laquelle il se déplace et limite sa trajectoire. Par conséquent, un faisceau lumineux constitué entièrement de photons d’un seul type de polarisation ne peut pas se propager dans toutes les parties d’un espace donné.

“Avoir une compréhension plus précise de la nature fondamentale des photons peut amener les chercheurs à concevoir de meilleurs faisceaux lumineux pour chauffer et mesurer le plasma”, a déclaré Hong Qin, physicien de recherche principal au Département américain de l’énergie (DOE). PPPL et co-auteur de l’étude.

Art conceptuel photo

Vue d’artiste des photons, les particules qui composent la lumière, perturbant le plasma. Crédit : Kyle Palmer / Département des communications PPPL

Simplifier des problèmes complexes

L’étude des photons permet de résoudre un problème plus vaste et plus difficile : comment utiliser des faisceaux de lumière intense pour provoquer des perturbations durables dans le plasma qui peuvent aider à maintenir les températures élevées nécessaires à la fusion.

Connues sous le nom d’ondes topologiques, ces vibrations se produisent souvent à la limite de deux régions différentes, comme le plasma et le vide du tokamak à son bord extérieur. Ils ne sont pas particulièrement exotiques : ils sont présents naturellement dans l’atmosphère terrestre, où ils contribuent à produire El Niño, un ensemble d’eaux chaudes dans l’océan Pacifique qui affecte le temps en Amérique du Nord et du Sud. Pour produire ces ondes dans le plasma, les scientifiques doivent mieux comprendre la lumière – en particulier le même type d’ondes radiofréquence utilisées dans les fours à micro-ondes – que les physiciens utilisent déjà pour chauffer le plasma.

“Nous essayons de trouver des ondes similaires pour la fusion”, a déclaré Qin. “Ils ne sont pas faciles à arrêter, donc si nous pouvions les créer dans le plasma, nous pourrions augmenter l’efficacité du chauffage du plasma et contribuer à créer les conditions nécessaires à la fusion.” La technique ressemble à sonner une cloche. Tout comme l’utilisation d’un marteau pour frapper une cloche fait bouger le métal de manière à créer du son, les chercheurs aimeraient frapper le plasma avec de la lumière afin qu’il bouge d’une certaine manière pour créer une chaleur soutenue.

Découvrir la nature du mouvement des photons

En plus de découvrir que la polarisation d’un photon est topologique, les chercheurs ont découvert que le mouvement de rotation des photons ne pouvait pas être séparé en composants internes et externes. Pensez à la Terre : elle tourne sur son axe, produisant le jour et la nuit, et tourne autour du soleil, produisant les saisons. Ces deux types de mouvements ne s’influencent généralement pas ; par exemple, la rotation de la Terre sur son axe ne dépend pas de sa révolution autour du Soleil. En fait, le mouvement de rotation de tous les objets ayant une masse peut être séparé de cette manière.

Cependant, il n’était pas clair si cela était vrai pour des particules telles que les photons qui n’ont pas de masse. “La plupart des expérimentateurs supposent que le moment cinétique de la lumière peut être séparé en moment cinétique de spin et en moment cinétique orbital”, a déclaré Eric Palmerduca, auteur principal de l’article et étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de Princeton. “Cependant, il y a eu un long débat entre les théoriciens sur la manière correcte de procéder à cette division, ou sur la possibilité de procéder à cette division. Nos travaux contribuent à régler ce débat et montrent que le moment cinétique des photons ne peut pas être divisé en composants de spin et orbitaux.

De plus, Palmerduca et Qin ont établi que les deux composantes du mouvement ne peuvent pas être séparées en raison des propriétés topologiques invariantes d’un photon, telles que sa polarisation. Cette nouvelle découverte a des implications pour le laboratoire. “Ces résultats signifient que nous avons besoin d’une meilleure explication théorique de ce qui se passe dans nos expériences”, a déclaré Palmerduca.

Ces résultats donnent un aperçu du comportement de la lumière et contribuent à l’objectif des chercheurs de créer des ondes topologiques pour la recherche sur la fusion.

Aperçu de la physique théorique

Palmerduca note que les découvertes de photons démontrent les atouts du PPPL en physique théorique. Les résultats se rapportent à un résultat mathématique connu sous le nom de théorème de la boule poilue. “Le théorème dit que si vous avez une balle couverte de poils, vous ne pouvez pas peigner tous les poils à plat sans créer un cowlick quelque part sur la balle. Les physiciens pensaient que cela signifiait qu’il était impossible d’avoir une source de lumière qui envoie des photons dans tout le corps. directions en même temps, a déclaré Palmerduca. Cependant, lui et Qin ont constaté que cela n’était pas correct car mathématiquement, le théorème ne tient pas compte du fait que les champs photoélectriques peuvent tourner.

Les résultats modifient également les recherches précédentes université de Princeton Professeur de physique Eugene Wigner, que Palmerduca a décrit comme l’un des physiciens théoriciens les plus importants du XXe siècle. Wigner s’est rendu compte qu’en utilisant les principes dérivés de la théorie de la relativité d’Albert Einstein, il pouvait décrire toutes les particules élémentaires possibles de l’univers, même celles qui n’avaient pas encore été découvertes. Mais si son système de classification est précis pour les particules ayant une masse, il produit des résultats inexacts pour les particules sans masse, comme les photons. “Qin et moi avons montré qu’en utilisant la topologie”, a déclaré Palmerduca, “nous pouvons modifier la classification de Wigner pour les particules sans masse, donnant une description des photons agissant dans toutes les directions en même temps”.

Directions futures

Dans le cadre de recherches futures, Qin et Palmerduca prévoient d’étudier comment créer des ondes topologiques bénéfiques qui chauffent le plasma sans créer de variantes inutiles qui siphonnent la chaleur. “Certaines ondes topologiques nuisibles peuvent être excitées involontairement, et nous voulons les comprendre afin de pouvoir les supprimer du système”, a déclaré Qin. “De cette façon, les ondes topologiques sont comme de nouvelles races d’insectes. Certaines sont bénéfiques pour le jardin et d’autres sont nuisibles.”

En attendant, ils sont enthousiasmés par les résultats actuels. “Nous avons une compréhension théorique plus claire des photons qui peuvent aider à exciter les ondes topologiques”, a déclaré Qin. “Il est maintenant temps de construire quelque chose pour que nous puissions les utiliser dans notre quête de l’énergie de fusion.”

Référence : « Photon topology » par Eric Palmerduca et Hong Qin, 2 avril 2024, Examen physique D.
DOI : 10.1103/PhysRevD.109.085005

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