Tanto en sentido literal como figurado, la luz impregna el mundo. Destierra la oscuridad, transmite señales de telecomunicaciones entre continentes y hace visible lo invisible, desde galaxias lejanas hasta la bacteria más pequeña. La luz también puede ayudar a calentar el plasma dentro de dispositivos con forma de anillo conocidos como tokamaks mientras los científicos de todo el mundo se esfuerzan por aprovechar el proceso de fusión para generar electricidad verde.
Ahora, los científicos han hecho descubrimientos sobre partículas de luz conocidas como fotones que podrían ayudar en la búsqueda de energía de fusión. Al realizar una serie de cálculos matemáticos, los investigadores descubrieron que una de las propiedades básicas de un fotón es topológica, lo que significa que no cambia incluso cuando el fotón se mueve a través de diferentes materiales y entornos.
Esta propiedad es la polarización, la dirección (izquierda o derecha) que toman los campos eléctricos cuando se mueven alrededor de un fotón. Debido a leyes físicas básicas, la polarización de un fotón ayuda a determinar la dirección en la que viaja y limita su movimiento. Por lo tanto, un haz de luz formado únicamente por fotones con un tipo de polarización no puede extenderse a todas las partes de un espacio determinado. Estos hallazgos demuestran las fortalezas del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) en física teórica e investigación de fusión.
"Tener una comprensión más precisa de la naturaleza fundamental de los fotones podría llevar a los científicos a diseñar mejores haces de luz para calentar y medir el plasma", dijo Hong Qin, físico investigador principal del PPPL del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y coautor de un artículo que informa los resultados en Physical Review D.
Aunque los investigadores estaban estudiando fotones individuales, lo hacían como una forma de resolver un problema más amplio y difícil:cómo utilizar rayos de luz intensa para excitar perturbaciones duraderas en el plasma que podrían ayudar a mantener las altas temperaturas necesarias para la fusión. .
Conocidas como ondas topológicas, estas oscilaciones a menudo ocurren en el borde de dos regiones diferentes, como el plasma y el vacío en los tokamaks en su borde exterior. No son especialmente exóticos:ocurren naturalmente en la atmósfera de la Tierra, donde ayudan a producir El Niño, una acumulación de agua cálida en el Océano Pacífico que afecta el clima en América del Norte y del Sur.
Para producir estas ondas en plasma, los científicos deben tener una mayor comprensión de la luz (específicamente, el mismo tipo de onda de radiofrecuencia utilizada en los hornos de microondas) que los físicos ya utilizan para calentar plasma. Una mayor comprensión conlleva una mayor posibilidad de control.
"Estamos tratando de encontrar ondas similares para la fusión", dijo Qin. "No se pueden detener fácilmente, por lo que si pudiéramos crearlos en plasma, podríamos aumentar la eficiencia del calentamiento del plasma y ayudar a crear las condiciones para la fusión".
La técnica se asemeja a tocar una campana. Así como usar un martillo para golpear una campana hace que el metal se mueva de tal manera que genera sonido, los científicos quieren golpear el plasma con luz para que se mueva de cierta manera para crear calor sostenido.
Resolver un problema simplificándolo ocurre en toda la ciencia. "Si estás aprendiendo a tocar una canción en el piano, no empiezas intentando tocar toda la canción a toda velocidad", dijo Eric Palmerduca, estudiante graduado del Programa de Física del Plasma de Princeton, con sede en PPPL y autor principal del artículo.
"Empiezas a tocarlo a un ritmo más lento; lo divides en partes pequeñas; tal vez aprendes cada mano por separado. En ciencia hacemos esto todo el tiempo:dividir un problema más grande en problemas más pequeños, resolviéndolos uno o dos a la vez. y luego volver a juntarlos para resolver el gran problema."
Además de descubrir que la polarización de un fotón es topológica, los científicos descubrieron que el movimiento giratorio de los fotones no se podía separar en componentes internos y externos. Piense en la Tierra:gira sobre su eje, produciendo el día y la noche, y orbita alrededor del sol, produciendo las estaciones.
Estos dos tipos de movimiento normalmente no se afectan entre sí; por ejemplo, la rotación de la Tierra alrededor de su eje no depende de su revolución alrededor del sol. De hecho, el movimiento giratorio de todos los objetos con masa se puede separar de esta manera. Pero los científicos no han estado tan seguros sobre partículas como los fotones, que no tienen masa.
"La mayoría de los experimentadores suponen que el momento angular de la luz se puede dividir en momento angular orbital y de espín", dijo Palmerduca. "Sin embargo, entre los teóricos, ha habido un largo debate sobre la forma correcta de hacer esta división o si es posible hacerla. Nuestro trabajo ayuda a resolver este debate, mostrando que el momento angular de los fotones no se puede dividir en espín. y componentes orbitales."
Además, Palmerduca y Qin establecieron que los dos componentes del movimiento no pueden dividirse debido a las propiedades topológicas e inmutables de un fotón, como su polarización. Este nuevo hallazgo tiene implicaciones para el laboratorio. "Estos resultados significan que necesitamos una mejor explicación teórica de lo que sucede en nuestros experimentos", afirmó Palmerduca.
Todos estos hallazgos sobre los fotones dan a los investigadores una idea más clara de cómo se comporta la luz. Con una mayor comprensión de los haces de luz, esperan descubrir cómo crear ondas topológicas que podrían ser útiles para la investigación de la fusión.
Palmerduca señala que los hallazgos de los fotones demuestran las fortalezas de PPPL en física teórica. Los hallazgos se relacionan con un resultado matemático conocido como el teorema de la bola peluda.
"El teorema establece que si tienes una bola cubierta de pelos, no puedes peinar todos los pelos sin crear un mechón en algún lugar de la bola. Los físicos pensaron que esto implicaba que no se podía tener una fuente de luz que enviara fotones en todas direcciones. al mismo tiempo", afirmó Palmerduca.
Él y Qin descubrieron, sin embargo, que esto no es correcto porque el teorema no tiene en cuenta, matemáticamente, que los campos eléctricos de los fotones pueden girar.
Los hallazgos también modifican la investigación del ex profesor de física de la Universidad de Princeton, Eugene Wigner, a quien Palmerduca describió como uno de los físicos teóricos más importantes del siglo XX. Wigner se dio cuenta de que utilizando principios derivados de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, podía describir todas las partículas elementales posibles en el universo, incluso aquellas que aún no habían sido descubiertas.
Pero si bien su sistema de clasificación es preciso para partículas con masa, produce resultados inexactos para partículas sin masa, como los fotones. "Qin y yo demostramos que usando la topología", dijo Palmerduca, "podemos modificar la clasificación de Wigner para partículas sin masa, dando una descripción de fotones que funciona en todas direcciones al mismo tiempo".
En investigaciones futuras, Qin y Palmerduca planean explorar cómo crear ondas topológicas beneficiosas que calienten el plasma sin crear variedades inútiles que desvíen el calor.
"Algunas ondas topológicas perjudiciales pueden excitarse involuntariamente y queremos comprenderlas para poder eliminarlas del sistema", dijo Qin. "En este sentido, las ondas topológicas son como nuevas razas de insectos. Algunas son beneficiosas para el jardín y otras son plagas".
Mientras tanto, están entusiasmados con los hallazgos actuales. "Tenemos una comprensión teórica más clara de los fotones que podrían ayudar a excitar ondas topológicas", dijo Qin. "Ahora es el momento de construir algo que podamos utilizar en la búsqueda de energía de fusión".
