光，無論從字面上或形像上來說，都充斥著我們的世界。它能消除黑暗，傳遞跨越大陸的電信訊號，揭示從遙遠星係到微小細菌等看不見的事物。光線還可以幫助加熱被稱為託卡馬克的環形裝置內的等離子體，科學家正努力利用核融合過程來生產綠色電力。新的研究表明，光子的偏振在不同環境中保持不變，這有可能改進等離子體加熱方法，促進核融合能源的發展。

最近，普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員發現，光子的基本特性之一–極化是拓撲性的，這意味著即使光子在各種材料和環境中轉換，它也保持不變。這些發現發表在《物理評論D》上，可能會帶來更有效的等離子體加熱技術和核融合研究的進步。

偏振是電場在光子周圍移動時的方向–向左或向右。根據基本物理定律，光子的偏振決定了它的傳播方向，並限制了它的傳播路徑。因此，僅由具有單一偏振類型的光子組成的光束無法傳播到特定空間的每個部分。

這項研究的共同作者、美國能源部（DOE）PPPL首席研究物理學家Hong Qin說：”對光子的基本性質有了更準確的了解，科學家們就能設計出更好的光束，用於加熱和測量等離子體。

光子（構成光的粒子）擾動等離子體的藝術家概念圖。資料來源：Kyle Palmer / PPPL 通訊部

簡化複雜問題

對光子的研究是解決一個更大、更難的問題的手段–如何利用強光束激發等離子體中的持久擾動，從而幫助維持核融合所需的高溫。

這些擾動稱為拓樸波，通常發生在兩個不同區域的邊界，例如等離子體和託卡馬克外緣的真空。它們並不特別奇特–它們自然出現在地球大氣中，幫助產生厄爾尼諾現象，這是太平洋中暖水的聚集，會影響北美和南美的天氣。要在等離子體中產生這些波，科學家必須對光有更深入的了解–具體來說，就是微波爐中使用的那種射頻波–物理學家已經用它來加熱等離子體。

Qin說：「我們正試圖為核融合尋找類似的波。它們不容易被阻止，因此如果我們能在等離子體中產生它們，就能提高等離子體加熱的效率，幫助創造核融合的條件。這項技術類似於敲鐘。

揭示光子運動的本質

除了發現光子的偏振是拓樸性的，科學家還發現光子的旋轉運動無法分成內部和外部兩個部分。聯想到地球：它既自轉產生晝夜，又繞太陽運行產生四季。這兩種運動通常互不影響，例如，地球繞地軸的自轉並不取決於它繞太陽的公轉。事實上，所有有質量的物體的轉動運動都可以這樣分開。

然而，對於像光子這樣沒有質量的粒子來說，這種情況是否屬實還不清楚。論文第一作者、普林斯頓大學等離子體物理學計畫研究生艾瑞克-帕爾默杜卡（Eric Palmerduca）說：「大多數實驗人員都認為，光的角動量可以分成自旋角動量和軌道角動量。旋和軌道成分。

此外，Palmerduca 和Qin 還確定，由於光子的拓撲特性、不變特性（如偏振），這兩個運動分量無法分割。這項新奇發現對實驗室產生了影響。帕爾默杜卡說：”這些結果意味著，我們需要更好的理論來解釋實驗中發生的事情。”

這些發現提供了對光的行為的見解，進一步推動了研究人員為核融合研究創造拓撲波的目標。

對理論物理學的啟示

帕爾默杜卡指出，光子的發現證明了PPPL 在理論物理學方面的優勢。這些發現與一個被稱為毛球定理的數學結果有關。 “該定理指出，如果你有一個佈滿毛髮的球，你不可能把所有的毛髮都梳平，物理學家認為這意味著不可能有一個光源同時向所有方向發送光子，”帕爾默杜卡說。然而，他和秦發現這是不正確的，因為該定理在數學上沒有考慮到光子電場可以旋轉。

帕爾默杜卡稱尤金-維格納是20 世紀最重要的理論物理學家之一。維格納意識到，利用從阿爾伯特-愛因斯坦相對論中得出的原理，他可以描述宇宙中所有可能的基本粒子，甚至是那些尚未被發現的粒子。但是，雖然他的分類系統對有質量的粒子是準確的，但對無質量的粒子（如光子）卻產生了不準確的結果。 “Qin和我證明，利用拓樸學，我們可以修改維格納對無質量微粒的分類，給出一個同時適用於所有方向的光子描述。”

未來方向

在未來的研究中，Qin和帕爾默杜卡計劃探索如何創造有益的拓撲波來加熱等離子體，而不製造無益的品種來抽走熱量：”一些有害的拓撲波可能會在無意中被激發，我們希望了解它們，以便將它們從系統中移除。

同時，他們對目前的發現感到興奮。 「我們對有助於激發拓樸波的光子有了更清晰的理論認識，」Qin說。 “現在是時候建造一些東西了，這樣我們就可以利用它們來尋求聚變能。”

編譯自/ scitechdaily