Tak może wyglądać pojedynczy foton

Nowa teoria, która wyjaśnia, w jaki sposób światło i materia oddziałują na poziomie kwantowym, umożliwiła naukowcom po raz pierwszy zdefiniować dokładny kształtu pojedynczego fotonu.

Badania na Uniwersytecie w Birmingham, opublikowane w Physical Review Letters, badają naturę fotonów (pojedynczych cząstek światła) w niespotykanych dotąd szczegółach, aby pokazać, w jaki sposób są one emitowane przez atomy lub cząsteczki i kształtowane przez ich otoczenie. Natura tej interakcji prowadzi do nieskończonych możliwości istnienia światła i jego rozprzestrzeniania się lub podróżowania przez otaczające je środowisko. Jednak ta nieograniczona możliwość sprawia, że ​​oddziaływania te są wyjątkowo trudne do modelowania i jest to wyzwanie, nad którym fizycy kwantowi pracują od kilku dekad.

➔ PRZECZYTAJ TAKŻE: „Metahologramy” – naukowcy opracowali nowy, lepszy rodzaj hologramu

Grupując te możliwości w odrębne zestawy, zespół z Birmingham był w stanie stworzyć model, który opisuje nie tylko oddziaływania między fotonem a emiterem, ale także sposób, w jaki energia z tych oddziaływań przemieszcza się do odległego „dalekiego pola”. Naukowcy byli w stanie wykorzystać swoje obliczenia do stworzenia wizualizacji samego fotonu.

Pierwszy autor, dr Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Bermigham, wyjaśnił: „Nasze obliczenia pozwoliły nam przekształcić pozornie nierozwiązywalny problem w coś, co można obliczyć. I niemal jako produkt uboczny modelu byliśmy w stanie stworzyć ten obraz fotonu, którego nigdy wcześniej nie widziano w fizyce”.

Praca jest ważna, ponieważ otwiera nowe ścieżki badawcze dla fizyków kwantowych i nauki o materiałach. Dzięki możliwości precyzyjnego zdefiniowania, w jaki sposób foton oddziałuje z materią i innymi elementami swojego otoczenia, naukowcy mogą projektować nowe technologie nanofotoniczne, które mogłyby zmienić sposób, w jaki komunikujemy się bezpiecznie, wykrywamy patogeny lub kontrolujemy reakcje chemiczne na poziomie molekularnym.

Współautorka, profesor Angela Demetriadou, również z University of Birmingham, powiedziała: „Geometria i właściwości optyczne otoczenia mają głębokie konsekwencje dla sposobu emisji fotonów, w tym definiowania kształtu fotonów, koloru, a nawet prawdopodobieństwa ich istnienia”.

Dr Benjamin Yuen dodał: „Ta praca pomaga nam lepiej zrozumieć wymianę energii między światłem a materią, a po drugie, lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło promieniuje do swojego bliskiego i dalekiego otoczenia. Wiele z tych informacji było wcześniej uważane za po prostu „szum” — ale jest w nich tak wiele informacji, które teraz możemy zrozumieć i wykorzystać. Dzięki zrozumieniu tego, stworzyliśmy podstawy, aby móc projektować oddziaływania światła z materią na potrzeby przyszłych zastosowań, takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub komputery kwantowe”.

Więcej informacji: Ben Yuen i in., Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203604

źródło: Physical Review Letters | Phys.org