Prinstono plazmos fizikos laboratorijos (PPPL) mokslininkai, matematiškai analizuodami pavienius fotonus, nustatė, kad viena esminių šviesos charakteristikų turi topologinį pobūdį. Paprasčiau tariant, tam tikra fotono savybė išlieka „atspari“ aplinkai ir nepriklauso nuo to, kokiomis sąlygomis šviesa sklinda.
Rezultatai publikuoti žurnale „Physical Review D“, o autoriai akcentuoja praktinę kryptį: įžvalgos gali būti svarbios kuriant naujus plazmos kaitinimo būdus branduolinei sintezei. Būtent plazmos stabilus įkaitinimas iki itin aukštų temperatūrų laikomas vienu didžiausių sintezės energetikos iššūkių.
Kas naujo apie fotono poliarizaciją
Tyrimo centre atsidūrė poliarizacija, nusakanti, kaip fotono elektrinio lauko kryptis „sukasi“ šviesai sklindant. Mokslininkai parodė, kad šis dydis gali būti topologinis, todėl jis nekinta net ir keičiantis terpėms ar sąlygoms, kuriomis fotonas keliauja.
Ši išvada koreguoja įprastą intuiciją apie tai, kaip šviesos pluoštai gali užpildyti erdvę. Jei fotonai turi vienodą poliarizaciją, jų sklidimas gali būti ribotas taip, kad ne visas erdvės kryptis pavyksta „pasiekti“ vienodai.
Tyrėjai taip pat peržiūrėjo ilgai kartotą interpretaciją, siejamą su vadinamąja Plaukuotosios sferos teorema. Ji dažnai aiškinta taip, tarsi iš principo nebūtų įmanoma sukurti šviesos šaltinio, kuris vienu metu siųstų fotonus į visas kryptis, tačiau įtraukus elektrinio lauko sukimąsi toks apribojimas, kaip teigiama, nebėra universalus.
Geba „suskaidyti“ judesį, bet ne fotoną
Klasikinėje fizikoje įprasta kampinį momentą skaidyti į dvi dalis: sukinį apie ašį ir judėjimą orbita. Tyrėjai pabrėžia, kad masės neturinčioms dalelėms, tokioms kaip fotonai, toks skaidymas nėra toks „švarus“, kaip dažnai laikoma eksperimentinėje praktikoje.
„Daugelis eksperimentatorių daro prielaidą, kad šviesos kampinį momentą galima atskirti į sukinį ir orbitinį kampinį momentą. Mūsų darbas padeda užbaigti šią diskusiją, parodydamas, kad fotonų kampinio momento taip atskirti negalima“, – sakė vienas tyrimo autorių Ericas Palmerduca.
Autoriai šiuos rezultatus sieja su dalelių klasifikavimo idėjomis, kurias XX amžiuje išplėtojo Eugene’as Wigneris. Teigiama, kad topologinis požiūris leidžia tiksliau aprašyti masės neturinčias daleles ir išvengti klaidinančių išvadų, kylančių taikant masyvioms dalelėms tinkančius aprašus.
Kaip tai susiję su branduoline sinteze
Tyrimo praktinis motyvas susijęs su tokamakais, žiedo formos įrenginiais, skirtais sulaikyti itin karštą plazmą magnetiniais laukais. Mokslininkai siekia geriau suprasti, kaip intensyvūs šviesos pluoštai galėtų būti naudojami sužadinti topologines bangas plazmoje ir taip prisidėti prie kaitinimo ar stabilumo valdymo.
Topologinės bangos paprastai atsiranda ribose tarp skirtingų sričių, pavyzdžiui, tarp plazmos ir ją supančio vakuumo. Tokios bangos nėra vien teorinis konstruktas: panašių procesų analogijų mokslininkai ieško ir kitose srityse, kur ribiniai reiškiniai lemia ilgalaikę dinamiką.
„Kaip plaktuko smūgis į varpą priverčia metalą virpėti taip, kad atsiranda garsas, taip mes norime „smogti“ plazmai šviesa, kad ji virpėtų tam tikru būdu ir sukurtų ilgiau išliekantį šilumos palaikymą“, – aiškino Hong Qinas.
Vis dėlto pabrėžiama, kad ne visos bangos būtų naudingos: dalis jų galėtų skatinti energijos nuostolius ir „išnešti“ šilumą iš plazmos. Todėl kitas žingsnis yra ne tik sukurti bangas, bet ir išmokti selektyviai žadinti tas, kurios padeda, bei slopinti tas, kurios trukdo.
„Topologinės bangos yra tarsi naujos vabzdžių rūšys: vienos naudingos sodui, kitos yra kenkėjai“, – sakė Hong Qinas.
Tyrėjai teigia, kad dabar svarbiausia pereiti nuo teorinių išvadų prie eksperimentinių įrankių kūrimo. Jei pavyks tiksliau valdyti šviesos ir plazmos sąveiką tokamake, tai galėtų tapti vienu iš mažų, bet reikšmingų žingsnių link efektyvesnio sintezės plazmos kaitinimo ir stabilesnio energijos išgavimo.