Literal e figurativamente, a luz permeia o mundo. Elimina a escuridão, transmite sinais de telecomunicações entre continentes e torna visível o invisível, desde galáxias distantes até à mais pequena bactéria. A luz também pode ajudar a aquecer o plasma dentro de dispositivos em forma de anel conhecidos como tokamaks, à medida que cientistas de todo o mundo se esforçam para aproveitar o processo de fusão para gerar eletricidade verde.



Agora, os cientistas fizeram descobertas sobre partículas de luz conhecidas como fótons que poderiam ajudar na busca pela energia de fusão. Ao realizar uma série de cálculos matemáticos, os investigadores descobriram que uma das propriedades básicas de um fotão é topológica, o que significa que não muda mesmo quando o fotão se move através de diferentes materiais e ambientes.

Esta propriedade é a polarização, a direção – esquerda ou direita – que os campos elétricos tomam à medida que se movem em torno de um fóton. Devido às leis físicas básicas, a polarização de um fóton ajuda a determinar a direção em que o fóton viaja e limita seu movimento. Portanto, um feixe de luz composto apenas por fótons com um tipo de polarização não pode se espalhar por todas as partes de um determinado espaço. Essas descobertas demonstram os pontos fortes do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) em física teórica e pesquisa de fusão.

"Ter uma compreensão mais precisa da natureza fundamental dos fótons poderia levar os cientistas a projetar melhores feixes de luz para aquecer e medir o plasma", disse Hong Qin, principal físico pesquisador do PPPL do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e co-autor de um artigo relatando os resultados da Revisão Física D.

Simplificando um problema complicado

Embora os pesquisadores estivessem estudando fótons individuais, eles o faziam como uma forma de resolver um problema maior e mais difícil:como usar feixes de luz intensa para excitar perturbações duradouras no plasma que poderiam ajudar a manter as altas temperaturas necessárias para a fusão. .

Conhecidas como ondas topológicas, essas oscilações ocorrem frequentemente na fronteira de duas regiões diferentes, como o plasma e o vácuo em tokamaks na sua borda externa. Eles não são especialmente exóticos – ocorrem naturalmente na atmosfera da Terra, onde ajudam a produzir o El Niño, um acúmulo de água quente no Oceano Pacífico que afeta o clima na América do Norte e do Sul.

Para produzir estas ondas no plasma, os cientistas devem ter uma maior compreensão da luz – especificamente, do mesmo tipo de onda de radiofrequência utilizada nos fornos de micro-ondas – que os físicos já utilizam para aquecer o plasma. Com maior compreensão vem maior possibilidade de controle.

“Estamos tentando encontrar ondas semelhantes para fusão”, disse Qin. "Eles não são facilmente interrompidos, por isso, se pudéssemos criá-los em plasma, poderíamos aumentar a eficiência do aquecimento do plasma e ajudar a criar as condições para a fusão."

A técnica lembra o toque de uma campainha. Assim como usar um martelo para bater num sino faz com que o metal se mova de tal forma que crie som, os cientistas querem atingir o plasma com luz para que ele se mexa de uma certa maneira para criar calor sustentado.

Resolver um problema simplificando-o acontece em toda a ciência. "Se você está aprendendo a tocar uma música no piano, não comece tentando tocar a música inteira em velocidade máxima", disse Eric Palmerduca, estudante de pós-graduação do Programa de Física de Plasmas de Princeton, baseado em PPPL e autor principal do artigo.

"Você começa a tocar em um ritmo mais lento; você o divide em pequenas partes; talvez você aprenda cada mão separadamente. Fazemos isso o tempo todo na ciência - dividindo um problema maior em problemas menores, resolvendo-os um ou dois de cada vez e depois reuni-los novamente para resolver o grande problema."

Vire, vire, vire

Além de descobrirem que a polarização de um fóton é topológica, os cientistas descobriram que o movimento giratório dos fótons não poderia ser separado em componentes internos e externos. Pense na Terra:ela gira em torno de seu eixo, produzindo dia e noite, e orbita o sol, produzindo as estações.

Esses dois tipos de movimento normalmente não afetam um ao outro; por exemplo, a rotação da Terra em torno do seu eixo não depende da sua revolução em torno do sol. Na verdade, o movimento de rotação de todos os objetos com massa pode ser separado desta forma. Mas os cientistas não têm tanta certeza sobre partículas como os fótons, que não têm massa.

“A maioria dos experimentalistas assume que o momento angular da luz pode ser dividido em spin e momento angular orbital”, disse Palmerduca. "No entanto, entre os teóricos, tem havido um longo debate sobre a forma correta de fazer esta divisão ou se é mesmo possível fazer esta divisão. Nosso trabalho ajuda a resolver este debate, mostrando que o momento angular dos fótons não pode ser dividido em spin e componentes orbitais."

Além disso, Palmerduca e Qin estabeleceram que os dois componentes do movimento não podem ser divididos devido às propriedades topológicas e imutáveis ​​de um fóton, como sua polarização. Esta nova descoberta tem implicações para o laboratório. “Esses resultados significam que precisamos de uma melhor explicação teórica do que está acontecendo em nossos experimentos”, disse Palmerduca.

Todas estas descobertas sobre os fotões dão aos investigadores uma imagem mais clara de como a luz se comporta. Com uma maior compreensão dos feixes de luz, eles esperam descobrir como criar ondas topológicas que possam ser úteis para a investigação em fusão.

Insights para física teórica

Palmerduca observa que as descobertas dos fótons demonstram os pontos fortes do PPPL na física teórica. As descobertas estão relacionadas a um resultado matemático conhecido como Teorema da Bola Peluda.

"O teorema afirma que se você tiver uma bola coberta de pelos, não poderá pentear todos os fios sem criar um topete em algum lugar da bola. Os físicos pensaram que isso implicava que não seria possível ter uma fonte de luz que enviasse fótons em todas as direções. ao mesmo tempo", disse Palmerduca.

Ele e Qin descobriram, no entanto, que isso não é correto porque o teorema não leva em conta, matematicamente, que os campos elétricos dos fótons podem girar.

As descobertas também alteram a pesquisa do ex-professor de física da Universidade de Princeton, Eugene Wigner, que Palmerduca descreveu como um dos físicos teóricos mais importantes do século XX. Wigner percebeu que, usando princípios derivados da teoria da relatividade de Albert Einstein, ele poderia descrever todas as partículas elementares possíveis no universo, mesmo aquelas que ainda não haviam sido descobertas.

Mas embora o seu sistema de classificação seja preciso para partículas com massa, produz resultados imprecisos para partículas sem massa, como os fotões. "Qin e eu mostramos que usando topologia", disse Palmerduca, "podemos modificar a classificação de Wigner para partículas sem massa, dando uma descrição de fótons que funciona em todas as direções ao mesmo tempo."

Uma compreensão mais clara do futuro

Em pesquisas futuras, Qin e Palmerduca planejam explorar como criar ondas topológicas benéficas que aquecem o plasma sem produzir variedades inúteis que absorvem o calor.

"Algumas ondas topológicas deletérias podem ser excitadas involuntariamente, e queremos entendê-las para que possam ser removidas do sistema", disse Qin. “Nesse sentido, as ondas topológicas são como novas raças de insetos. Algumas são benéficas para o jardim e outras são pragas.”

Enquanto isso, eles estão entusiasmados com as descobertas atuais. “Temos uma compreensão teórica mais clara dos fótons que poderiam ajudar a excitar ondas topológicas”, disse Qin. “Agora é hora de construir algo para que possamos usá-los na busca pela energia de fusão”.