La lumière, omniprésente dans notre quotidien, joue un rôle crucial dans de nombreux domaines, de la transmission des signaux de télécommunications à l’observation des galaxies lointaines. Récemment, des chercheurs ont fait des découvertes sur les photons, ces particules de lumière, qui pourraient contribuer à la quête de l’énergie de fusion.
Les propriétés topologiques des photons
Les scientifiques ont découvert que l’une des propriétés fondamentales des photons est topologique, ce qui signifie qu’elle reste inchangée même lorsque le photon traverse différents matériaux et environnements. Cette propriété est la polarisation, la direction — gauche ou droite — que prennent les champs électriques lorsqu’ils se déplacent autour d’un photon. En raison des lois physiques fondamentales, la polarisation d’un photon aide à déterminer la direction de son déplacement et limite son mouvement.
Un faisceau de lumière composé uniquement de photons avec un type de polarisation ne peut donc pas se propager dans toutes les parties d’un espace donné. Ces découvertes mettent en lumière les forces du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en physique théorique et en recherche sur la fusion.
Comprendre les photons pour améliorer la fusion
« Avoir une compréhension plus précise de la nature fondamentale des photons pourrait conduire les scientifiques à concevoir de meilleurs faisceaux lumineux pour chauffer et mesurer le plasma », a indiqué Hong Qin, physicien principal de recherche au PPPL du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) et co-auteur d’un article rapportant les résultats dans Physical Review D.
Les chercheurs ont étudié les photons individuels pour résoudre un problème plus vaste : comment utiliser des faisceaux de lumière intense pour exciter des perturbations durables dans le plasma, ce qui pourrait aider à maintenir les températures élevées nécessaires à la fusion. Ces perturbations, connues sous le nom de vagues topologiques, se produisent souvent à la frontière de deux régions différentes, comme le plasma et le vide dans les tokamaks.
Des découvertes sur le mouvement des photons
En plus de découvrir que la polarisation d’un photon est topologique, les scientifiques ont constaté que le mouvement de rotation des photons ne pouvait pas être séparé en composants internes et externes. Contrairement aux objets avec masse, les photons, qui sont sans masse, ne peuvent pas voir leur moment angulaire divisé en composantes de spin et de moment angulaire orbital.
« La plupart des expérimentateurs supposent que le moment angulaire de la lumière peut être divisé en spin et moment angulaire orbital », a ajouté Eric Palmerduca, étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de Princeton et auteur principal de l’article. « Cependant, parmi les théoriciens, il y a eu un long débat sur la manière correcte de faire cette division ou même si elle est possible. Notre travail aide à résoudre ce débat, montrant que le moment angulaire des photons ne peut pas être divisé en composants de spin et d’orbite. »
Implications pour la physique théorique
Les découvertes sur les photons démontrent les forces du PPPL en physique théorique. Elles se rapportent à un résultat mathématique connu sous le nom de théorème de la boule chevelue. « Le théorème stipule que si vous avez une boule couverte de poils, vous ne pouvez pas peigner tous les poils à plat sans créer une épi quelque part sur la boule », a expliqué Eric Palmerduca.
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Les chercheurs ont découvert que ce n’est pas correct car le théorème ne prend pas en compte, mathématiquement, que les champs électriques des photons peuvent tourner.
Les résultats modifient également les recherches de l’ancien professeur de physique de l’Université de Princeton, Eugene Wigner. Wigner avait réalisé que, en utilisant des principes dérivés de la théorie de la relativité d’Albert Einstein, il pouvait décrire toutes les particules élémentaires possibles dans l’univers. Cependant, son système de classification produit des résultats inexacts pour les particules sans masse, comme les photons.
« Qin et moi avons montré qu’en utilisant la topologie, nous pouvons modifier la classification de Wigner pour les particules sans masse, donnant une description des photons qui fonctionne dans toutes les directions en même temps », a déclaré Palmerduca.
Une compréhension plus claire pour l’avenir
Dans leurs recherches futures, les deux scientifiques prévoient d’explorer comment créer des vagues topologiques bénéfiques qui chauffent le plasma sans produire de variétés nuisibles qui siphonnent la chaleur.
« Certaines vagues topologiques délétères peuvent être excitées involontairement, et nous voulons les comprendre pour pouvoir les éliminer du système », a précisé une nouvelle fois Hong Qin. « En ce sens, les vagues topologiques sont comme de nouvelles espèces d’insectes. Certaines sont bénéfiques pour le jardin, et d’autres sont des nuisibles. »
En attendant, ils sont enthousiastes à propos des découvertes actuelles. « Nous avons une compréhension théorique plus claire des photons qui pourrait aider à exciter des vagues topologiques. Il est maintenant temps de construire quelque chose pour que nous puissions les utiliser dans la quête de l’énergie de fusion. » a t-il conclu.
Conception artistique de photons, les particules qui composent la lumière, perturbant le plasma. (Crédit d’illustration : Kyle Palmer / Service de communication du PPPL)
