Au propre comme au figuré, la lumière imprègne le monde. Il bannit l’obscurité, transmet les signaux de télécommunications entre les continents et rend visible l’invisible, des galaxies lointaines jusqu’à la plus petite bactérie. La lumière peut également aider à chauffer le plasma dans des dispositifs en forme d'anneau appelés tokamaks, alors que les scientifiques du monde entier s'efforcent d'exploiter le processus de fusion pour produire de l'électricité verte.
Aujourd’hui, les scientifiques ont fait des découvertes sur des particules lumineuses appelées photons qui pourraient faciliter la recherche de l’énergie de fusion. En effectuant une série de calculs mathématiques, les chercheurs ont découvert que l'une des propriétés fondamentales d'un photon est topologique, ce qui signifie qu'elle ne change pas même lorsque le photon se déplace à travers différents matériaux et environnements.
Cette propriété est la polarisation, la direction (gauche ou droite) que prennent les champs électriques lorsqu'ils se déplacent autour d'un photon. En raison des lois physiques fondamentales, la polarisation d'un photon aide à déterminer la direction dans laquelle se déplace le photon et limite son mouvement. Par conséquent, un faisceau de lumière composé uniquement de photons avec un seul type de polarisation ne peut pas se propager dans toutes les parties d’un espace donné. Ces résultats démontrent les atouts du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) en matière de physique théorique et de recherche sur la fusion.
"Avoir une compréhension plus précise de la nature fondamentale des photons pourrait conduire les scientifiques à concevoir de meilleurs faisceaux lumineux pour chauffer et mesurer le plasma", a déclaré Hong Qin, physicien de recherche principal au PPPL du Département américain de l'énergie (DOE) et co-auteur de un article rapportant les résultats dans Physical Review D.
Même si les chercheurs étudiaient des photons individuels, ils le faisaient dans le but 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 pourraient aider à maintenir les températures élevées nécessaires à la fusion. .
Connues sous le nom d'ondes topologiques, ces vibrations se produisent souvent à la frontière de deux régions différentes, comme le plasma et le vide dans les tokamaks 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, une accumulation d'eau chaude dans l'océan Pacifique qui affecte les conditions météorologiques 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’onde radiofréquence utilisée dans les fours à micro-ondes – que les physiciens utilisent déjà pour chauffer le plasma. Une meilleure compréhension s'accompagne d'une plus grande possibilité de contrôle.
"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 telle manière qu'il crée du son, les scientifiques veulent frapper le plasma avec de la lumière afin qu'il bouge d'une certaine manière pour créer une chaleur soutenue.
Résoudre un problème en le simplifiant se produit dans toute la science. "Si vous apprenez à jouer une chanson au piano, vous ne commencez pas par essayer de jouer la chanson entière à pleine vitesse", a déclaré Eric Palmerduca, étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de Princeton, basé à PPPL et auteur principal de l'article.
"Vous commencez à le jouer à un rythme plus lent ; vous le divisez en petites parties; peut-être que vous apprenez chaque main séparément. Nous faisons cela tout le temps en science :diviser un problème plus important en problèmes plus petits, les résoudre un ou deux à la fois. , puis les rassembler pour résoudre le gros problème."
En plus de découvrir que la polarisation d'un photon est topologique, les scientifiques 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 autour de 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 façon. Mais les scientifiques ne sont pas aussi sûrs des particules comme les photons, qui n'ont pas de masse.
"La plupart des expérimentateurs supposent que le moment cinétique de la lumière peut être divisé en moment cinétique de rotation et en moment cinétique orbital", a déclaré Palmerduca. "Cependant, parmi les théoriciens, il y a eu un long débat sur la manière correcte de procéder à cette division ou sur la question de savoir s'il est même possible de procéder à cette division. Nos travaux contribuent à régler ce débat, en montrant que le moment cinétique des photons ne peut pas être divisé en spin. et composants orbitaux."
De plus, Palmerduca et Qin ont établi que les deux composantes du mouvement ne peuvent pas être divisées en raison des propriétés topologiques immuables d'un photon, comme 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.
Toutes ces découvertes sur les photons donnent aux chercheurs une idée plus claire du comportement de la lumière. Grâce à une meilleure compréhension des faisceaux lumineux, ils espèrent comprendre comment créer des ondes topologiques qui pourraient être utiles à la recherche sur la fusion.
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 stipule 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 impliquait que vous ne pouviez pas avoir une source de lumière qui envoie des photons dans toutes les directions. en même temps", a déclaré Palmerduca.
Lui et Qin ont cependant découvert que cela n'était pas correct car le théorème ne prend pas en compte, mathématiquement, le fait que les champs électriques de photons peuvent tourner.
Les résultats modifient également les recherches d'Eugene Wigner, ancien professeur de physique à l'Université de Princeton, que Palmerduca a décrit comme l'un des physiciens théoriciens les plus importants du 20e siècle. Wigner s'est rendu compte qu'en utilisant des principes dérivés de la théorie de la relativité d'Albert Einstein, il pouvait décrire toutes les particules élémentaires possibles dans 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, en donnant une description des photons qui fonctionnent dans toutes les directions en même temps."
Dans de futures recherches, Qin et Palmerduca prévoient d'explorer comment créer des ondes topologiques bénéfiques qui chauffent le plasma sans créer de variétés inutiles qui siphonnent la chaleur.
"Certaines ondes topologiques délétères peuvent être excitées involontairement, et nous voulons les comprendre afin de pouvoir les supprimer du système", a déclaré Qin. "En ce sens, 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 découvertes actuelles. "Nous avons une compréhension théorique plus claire des photons qui pourraient aider à exciter les ondes topologiques", a déclaré Qin. "Il est maintenant temps de construire quelque chose pour que nous puissions les utiliser dans la quête de l'énergie de fusion."
