מחקרים אחרונים גילו שקיטוב של פוטון הוא תכונה טופולוגית שנשארת קבועה על פני סביבות שונות, תובנה שיכולה לשפר את מחקר ההיתוך על ידי שיפור התכנון של קרני אור המשמשות בחימום פלזמה. קרדיט: twoday.co.il
מחקרים חדשים מראים פוטון הקיטוב קבוע בסביבות משתנות, עשוי להשתפר פְּלַסמָה שיטות חימום לקידום אנרגיית היתוך.
אור, מילולית ופיגורטיבית, חודר לעולמנו. הוא מבטל חושך, מעביר אותות טלקומוניקציה על פני יבשות וחושף את הבלתי נראה, מגלקסיות רחוקות ועד חיידקים מיקרוסקופיים. אור יכול גם לעזור לחמם את הפלזמה בתוך מכשירים בצורת טבעת הידועים בשם טוקאמקים, מכיוון שמדענים פועלים למנף את תהליך ההיתוך לייצור חשמל ירוק.
לאחרונה, חוקרים ממעבדת הפיזיקה לפזמה של פרינסטון גילו שאחת התכונות הבסיסיות של פוטונים – קיטוב – היא טופולוגית, כלומר היא נשארת קבועה גם כשהפוטון עובר דרך חומרים וסביבות שונות. ממצאים אלה, שפורסמו ב סקירה פיזית ד, יכול להוביל לטכניקות חימום פלזמה יעילות יותר ולהתקדמות בחקר ההיתוך.
השלכות על מחקר היתוך
קיטוב הוא הכיוון – שמאלה או ימינה – שלוקחים שדות חשמליים כשהם נעים סביב פוטון. בשל חוקים פיזיקליים בסיסיים, הקיטוב של הפוטון מכתיב את הכיוון שהוא נוסע ומגביל את דרכו. כתוצאה מכך, אלומת אור המורכבת אך ורק מפוטונים עם סוג אחד של קיטוב לא יכולה להתפשט לכל חלק בחלל נתון.
"הבנה מדויקת יותר של הטבע הבסיסי של פוטונים יכולה להוביל למדענים שיעצבו קרני אור טובות יותר לחימום ולמדידה של פלזמה", אמר הונג צ'ין, פיזיקאי מחקר ראשי במשרד האנרגיה האמריקאי (DOE) PPPL ומחבר שותף של המחקר.
תפיסת אמן של פוטונים, החלקיקים המרכיבים את הפלזמה המטרידה האור. קרדיט: קייל פאלמר / מחלקת התקשורת של PPPL
פישוט בעיות מורכבות
חקר הפוטונים משמש כאמצעי לפתרון בעיה גדולה וקשה יותר – כיצד להשתמש באלומות אור עזות כדי לעורר הפרעות ארוכות טווח בפלזמה שיכולות לסייע בשמירה על הטמפרטורות הגבוהות הדרושות להיתוך.
הידועים כגלים טופולוגיים, תנודות אלו מתרחשות לעתים קרובות על הגבול של שני אזורים שונים, כמו פלזמה והוואקום בטוקאמקים בקצה החיצוני שלה. הם לא אקזוטיים במיוחד – הם מתרחשים באופן טבעי באטמוספירה של כדור הארץ, שם הם עוזרים לייצר אל ניניו, אוסף של מים חמים באוקיינוס השקט שמשפיע על מזג האוויר בצפון ובדרום אמריקה. כדי להפיק את הגלים הללו בפלזמה, מדענים חייבים להיות בעלי הבנה טובה יותר של אור, באופן ספציפי, אותו סוג של גל תדר רדיו המשמש בתנורים מיקרוגל – שבו פיזיקאים כבר משתמשים כדי לחמם פלזמה.
"אנחנו מנסים למצוא גלים דומים להיתוך", אמר צ'ין. "לא קל לעצור אותם, אז אם היינו יכולים ליצור אותם בפלזמה, נוכל להגביר את היעילות של חימום פלזמה ולעזור ליצור את התנאים לאיחוי". הטכניקה דומה לצלצול פעמון. בדיוק כפי ששימוש בפטיש כדי לפגוע בפעמון גורם למתכת לנוע בצורה כזו שהיא יוצרת צליל, המדענים רוצים להכות פלזמה עם אור כך שהיא מתנועעת בצורה מסוימת כדי ליצור חום מתמשך.
פירוק טבעה של תנועת הפוטונים
בנוסף לגילוי שהקיטוב של הפוטון הוא טופולוגי, המדענים גילו שלא ניתן להפריד את תנועת הסיבוב של פוטונים למרכיבים פנימיים וחיצוניים. חשבו על כדור הארץ: הוא גם מסתובב על צירו, מייצר יום ולילה וגם מקיף את השמש, מייצר את עונות השנה. שני סוגי תנועה אלו בדרך כלל אינם משפיעים זה על זה; למשל, הסיבוב של כדור הארץ סביב צירו אינו תלוי בסיבובו סביב השמש. למעשה, ניתן להפריד בדרך זו את תנועת הסיבוב של כל העצמים בעלי מסה.
עם זאת, לא היה ברור אם זה נכון לגבי חלקיקים כמו פוטונים, שאין להם מסה. "רוב הניסויים מניחים שניתן לפצל את התנע הזוויתי של האור לספין ולתנע זוויתי מסלולי", אמר אריק פאלמרדוקה, מחבר המאמר הראשי וסטודנט לתואר שני בתוכנית פרינסטון לפיזיקת פלזמה. "עם זאת, בין תיאורטיקנים, היה ויכוח ארוך על הדרך הנכונה לעשות את הפיצול הזה או אם בכלל אפשר לעשות את הפיצול הזה. העבודה שלנו עוזרת ליישב את הוויכוח הזה, ומראה שלא ניתן לפצל את התנע הזוויתי של פוטונים למרכיבי ספין ומסלולים".
יתר על כן, פלמרדוקה וצ'ין קבעו שלא ניתן לפצל את שני מרכיבי התנועה בגלל התכונות הטופולוגיות, הבלתי משתנות של הפוטון, כמו הקיטוב שלו. לממצא החדשני הזה יש השלכות על המעבדה. "תוצאות אלו אומרות שאנו זקוקים להסבר תיאורטי טוב יותר של מה שקורה בניסויים שלנו", אמר פלמרדוקה.
ממצאים אלה מספקים תובנות לגבי התנהגות האור, ומקדמים את מטרות החוקרים ליצור גלים טופולוגיים לחקר היתוך.
תובנות לפיזיקה תיאורטית
פאלמרדוקה מציין כי ממצאי הפוטונים מדגימים את החוזקות של PPPL בפיזיקה תיאורטית. הממצאים מתייחסים לתוצאה מתמטית המכונה משפט הכדור השעיר. "המשפט קובע שאם יש לך כדור מכוסה שערות, אתה לא יכול לסרק את כל השערות שטוחות מבלי ליצור פרווה איפשהו על הכדור. פיזיקאים חשבו שזה מרמז שלא יכול להיות מקור אור ששולח פוטונים לכל הכיוונים בו זמנית", אמר פלמרדוקה. עם זאת, הוא וצ'ין מצאו שזה לא נכון מכיוון שהמשפט אינו לוקח בחשבון, מתמטית, ששדות חשמליים של פוטון יכולים להסתובב.
הממצאים גם משנים מחקר של לשעבר אוניברסיטת פרינסטון פרופסור לפיזיקה יוג'ין ויגנר, אשר פלמרדוקה תיאר כאחד הפיזיקאים התיאורטיים החשובים ביותר של המאה ה-20. ויגנר הבין שבאמצעות עקרונות שנגזרו מתורת היחסות של אלברט איינשטיין, הוא יכול לתאר את כל החלקיקים היסודיים האפשריים ביקום, גם אלו שעדיין לא התגלו. אבל בעוד שמערכת הסיווג שלו מדויקת עבור חלקיקים בעלי מסה, היא מייצרת תוצאות לא מדויקות עבור חלקיקים חסרי מסה, כמו פוטונים. "צ'ין ואני הראינו שבאמצעות טופולוגיה", אמר פלמרדוקה, "אנחנו יכולים לשנות את הסיווג של ויגנר לחלקיקים חסרי מסה, לתת תיאור של פוטונים שפועלים בכל הכיוונים בו זמנית."
כיוונים עתידיים
במחקר עתידי, Qin ו-Palmerduca מתכננים לחקור כיצד ליצור גלים טופולוגיים מועילים המחממים פלזמה מבלי ליצור זנים לא מועילים המרחיקים את החום. "כמה גלים טופולוגיים מזיקים יכולים להתרגש ללא כוונה, ואנחנו רוצים להבין אותם כך שניתן יהיה להסירם מהמערכת", אמר צ'ין. "במובן הזה, גלים טופולוגיים הם כמו גזעים חדשים של חרקים. חלקם מועילים לגינה וחלקם מזיקים”.
בינתיים, הם נרגשים מהממצאים הנוכחיים. "יש לנו הבנה תיאורטית ברורה יותר של הפוטונים שיכולים לעזור לעורר גלים טופולוגיים", אמר צ'ין. "עכשיו הגיע הזמן לבנות משהו כדי שנוכל להשתמש בהם בחיפוש אחר אנרגיית היתוך."
