Terobosan Berikutnya dalam Teknologi Fusion?

Studi baru menunjukkan foton polarisasi konstan di seluruh lingkungan, berpotensi membaik plasma metode pemanasan untuk kemajuan energi fusi.

Cahaya, baik secara harfiah maupun kiasan, meliputi dunia kita. Ia menghilangkan kegelapan, menyampaikan sinyal telekomunikasi ke seluruh benua, dan mengungkap hal-hal yang tak terlihat, dari galaksi jauh hingga bakteri mikroskopis. Cahaya juga dapat membantu memanaskan plasma di dalam perangkat berbentuk cincin yang dikenal sebagai tokamaks saat para ilmuwan berupaya memanfaatkan proses fusi untuk menghasilkan listrik ramah lingkungan.

Baru-baru ini, para peneliti dari Laboratorium Fisika Plasma Princeton telah menemukan bahwa salah satu sifat dasar foton—polarisasi—bersifat topologis, artinya tetap konstan bahkan ketika foton bertransisi melalui berbagai bahan dan lingkungan. Temuan ini, dipublikasikan di Tinjauan Fisik D, dapat mengarah pada teknik pemanasan plasma yang lebih efektif dan kemajuan dalam penelitian fusi.

Implikasi untuk Penelitian Fusion

Polarisasi adalah arah—kiri atau kanan—yang diambil medan listrik saat bergerak mengelilingi foton. Karena hukum fisika dasar, polarisasi foton menentukan arah perjalanan dan membatasi jalurnya. Akibatnya, berkas cahaya yang hanya terdiri dari foton dengan satu jenis polarisasi tidak dapat merambat ke bagian ruang mana pun.

“Memiliki pemahaman yang lebih akurat tentang sifat dasar foton dapat mengarahkan para ilmuwan merancang berkas cahaya yang lebih baik untuk memanaskan dan mengukur plasma,” kata Hong Qin, fisikawan peneliti utama di Departemen Energi AS (DOE) PPPL dan rekan penulis penelitian ini.

Menyederhanakan Masalah Kompleks

Studi tentang foton berfungsi sebagai sarana untuk memecahkan masalah yang lebih besar dan lebih sulit – bagaimana menggunakan berkas cahaya yang kuat untuk merangsang gangguan jangka panjang pada plasma yang dapat membantu mempertahankan suhu tinggi yang diperlukan untuk fusi.

Dikenal sebagai gelombang topologi, goyangan ini sering terjadi di perbatasan dua wilayah berbeda, seperti plasma dan ruang hampa di tokamak di tepi luarnya. Fenomena ini tidak terlalu eksotik – fenomena ini terjadi secara alami di atmosfer bumi, dan membantu menciptakan El Niño, kumpulan air hangat di Samudera Pasifik yang mempengaruhi cuaca di Amerika Utara dan Selatan. Untuk menghasilkan gelombang-gelombang ini dalam plasma, para ilmuwan harus memiliki pemahaman yang lebih baik tentang cahaya – khususnya, gelombang frekuensi radio yang sama yang digunakan dalam oven microwave – yang sudah digunakan para fisikawan untuk memanaskan plasma.

“Kami mencoba menemukan gelombang serupa untuk fusi,” kata Qin. “Mereka tidak mudah untuk dihentikan, jadi jika kita bisa memasukkannya ke dalam plasma, kita bisa meningkatkan efisiensi pemanasan plasma dan membantu menciptakan kondisi untuk fusi.” Tekniknya menyerupai membunyikan bel. Sama seperti menggunakan palu untuk memukul bel yang menyebabkan logam bergerak sedemikian rupa sehingga menghasilkan suara, para ilmuwan ingin memukul plasma dengan cahaya sehingga logam tersebut bergoyang dengan cara tertentu untuk menghasilkan panas yang berkelanjutan.

Mengungkap Sifat Gerakan Foton

Selain menemukan bahwa polarisasi foton bersifat topologis, para ilmuwan juga menemukan bahwa gerak rotasi foton tidak dapat dipisahkan menjadi komponen internal dan eksternal. Bayangkan Bumi: Ia berputar pada porosnya, menghasilkan siang dan malam, dan mengorbit matahari, menghasilkan musim. Kedua jenis gerakan ini biasanya tidak saling mempengaruhi; misalnya, rotasi bumi pada porosnya tidak bergantung pada revolusinya mengelilingi matahari. Faktanya, gerak memutar semua benda bermassa dapat dipisahkan dengan cara ini.

Namun, tidak jelas apakah hal ini berlaku untuk partikel seperti foton, yang tidak memiliki massa. “Sebagian besar peneliti berasumsi bahwa momentum sudut cahaya dapat dibagi menjadi momentum sudut putaran dan orbital,” kata Eric Palmerduca, penulis utama makalah dan mahasiswa pascasarjana di Program Princeton dalam Fisika Plasma. “Namun, di antara para ahli teori, terdapat perdebatan panjang tentang cara yang benar untuk melakukan pemisahan ini atau apakah pemisahan ini mungkin dilakukan. Pekerjaan kami membantu menyelesaikan perdebatan ini, menunjukkan bahwa momentum sudut foton tidak dapat dipecah menjadi komponen putaran dan orbital.”

Selain itu, Palmerduca dan Qin menetapkan bahwa kedua komponen pergerakan tidak dapat dipisahkan karena sifat topologi foton yang invarian, seperti polarisasinya. Temuan baru ini mempunyai implikasi bagi laboratorium. “Hasil ini berarti kami memerlukan penjelasan teoretis yang lebih baik tentang apa yang terjadi dalam eksperimen kami,” kata Palmerduca.

Temuan ini memberikan wawasan tentang perilaku cahaya, sehingga memajukan tujuan para peneliti dalam menciptakan gelombang topologi untuk penelitian fusi.

Wawasan Fisika Teoritis

Palmerduca mencatat bahwa penemuan foton menunjukkan kekuatan PPPL dalam fisika teoretis. Temuan ini terkait dengan hasil matematis yang dikenal dengan Teorema Bola Berbulu. “Teorema menyatakan bahwa jika bola Anda ditutupi rambut, Anda tidak dapat menyisir seluruh rambut hingga rata tanpa menyebabkan jilatan di suatu tempat pada bola tersebut. Fisikawan berpendapat bahwa hal ini menyiratkan bahwa tidak mungkin sumber cahaya mengirimkan foton ke segala arah pada saat yang bersamaan,” kata Palmerduca. Namun, ia dan Qin menemukan bahwa hal ini tidak benar karena teorema tersebut tidak memperhitungkan, secara matematis, bahwa medan listrik foton dapat berputar.

Temuan ini juga mengubah penelitian sebelumnya Universitas Princeton Profesor Fisika Eugene Wigner, yang digambarkan Palmerduca sebagai salah satu fisikawan teoretis terpenting abad ke-20. Wigner menyadari bahwa dengan menggunakan prinsip-prinsip yang berasal dari teori relativitas Albert Einstein, dia dapat mendeskripsikan semua kemungkinan partikel elementer di alam semesta, bahkan yang belum ditemukan. Meskipun sistem klasifikasi akurat untuk partikel bermassa, sistem ini memberikan hasil yang tidak akurat untuk partikel tak bermassa, seperti foton. “Qin dan saya menunjukkan bahwa dengan menggunakan topologi,” kata Palmerduca, “kita dapat memodifikasi klasifikasi Wigner untuk partikel tak bermassa, memberikan gambaran foton yang bekerja ke segala arah pada waktu yang sama.”

Arah masa depan

Dalam penelitian masa depan, Qin dan Palmerduca berencana untuk mengeksplorasi cara menciptakan gelombang topologi bermanfaat yang memanaskan plasma tanpa menciptakan variasi tidak membantu yang menyedot panas. “Beberapa gelombang topologi yang merusak dapat terjadi secara tidak sengaja, dan kami ingin memahaminya sehingga dapat dihilangkan dari sistem,” kata Qin. “Dalam hal ini, gelombang topologi seperti serangga jenis baru. Ada yang bermanfaat bagi kebun, dan ada pula yang menjadi hama.”

Sementara itu, mereka bersemangat dengan temuan terbaru. “Kami memiliki pemahaman teoretis yang lebih jelas tentang foton yang dapat membantu menghasilkan gelombang topologi,” kata Qin. “Sekarang saatnya membangun sesuatu sehingga kita dapat menggunakannya untuk mencari energi fusi.”

Referensi: “Topologi Foton” oleh Eric Palmerduca dan Hong Qin, 2 April 2024, Tinjauan Fisik D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.085005