Forma luminii: oamenii de știință dezvăluie imaginea unui foton individual pentru prima oară

Cercetătorii din Birmingham au creat prima imagine a unui foton, o particulă de lumină în formă de lămâie emisă de suprafața unei nanoparticule. Teoria care a făcut posibilă această imagine, a raportat 14 noiembrie în jurnal Scrisori de revizuire fizicăle permite oamenilor de știință să calculeze și să înțeleagă diferite proprietăți ale acestor particule cuantice – care ar putea deschide o serie de noi posibilități în domenii precum calculul cuanticaparate fotovoltaice și fotosinteză artificială.

Comportamentul cuantic al luminii este bine stabilit, peste 100 de ani de experimente arătându-l poate exista atât sub formă de undă, cât și sub formă de particule. Dar înțelegerea noastră fundamentală a acestei naturi cuantice este mult mai în urmă și avem doar o înțelegere limitată a modului în care fotonii sunt creați și emiși sau a modului în care se schimbă în spațiu și timp.

„Vrem să putem înțelege aceste procese pentru a valorifica acea parte cuantică”, primul autor Ben Yuenun cercetător la Universitatea din Birmingham din Marea Britanie, a declarat Live Science într-un e-mail. „Cum interacționează cu adevărat lumina și materia la acest nivel?”

Cu toate acestea, însăși natura luminii înseamnă că răspunsul la această întrebare are posibilități aproape nelimitate. „Ne putem gândi că un foton este o excitație fundamentală a unui câmp electromagnetic”, a explicat Yuen. Aceste câmpuri sunt un continuum de frecvențe diferite, fiecare dintre acestea ar putea deveni excitată. „Puteți împărți un continuum în părți mai mici și între oricare două puncte, există încă un număr infinit de puncte posibile pe care le puteți alege”, a adăugat Yuen.

Rezultatul este că proprietățile unui foton depind în mare măsură de proprietățile mediului său, ceea ce duce la o matematică incredibil de complexă. „La prima vedere, ar trebui să scriem și să rezolvăm un număr infinit de ecuații pentru a ajunge la un răspuns”, a spus Yuen.

Înrudit: Elevii de liceu care au venit cu o demonstrație „imposibilă” a teoremei lui Pitagora descoperă încă 9 soluții la problemă

Pentru a aborda această sarcină aparent imposibilă, Yuen și coautor Angela Demetriadouprofesor de nanofotonica teoretica la Universitatea din Birmingham, a folosit un truc inteligent de matematica pentru a simplifica dramatic ecuatiile.

Introducerea numerelor imaginare – multipli ai rădăcinii pătrate imposibile a lui -1 – este un instrument puternic atunci când se manipulează ecuații complexe. Manipularea acestor componente imaginare permite ca mulți dintre termenii dificili din ecuație să se anuleze reciproc. Cu condiția ca toate numerele imaginare să fie convertite înapoi în numere reale înainte de a ajunge la soluție, acest lucru lasă un calcul mult mai ușor de gestionat.

„Am transformat acel continuum de frecvențe reale într-un set discret de frecvențe complexe”, a explicat Yuen. „Făcând asta, simplificăm ecuațiile dintr-un continuum într-un set discret pe care îl putem gestiona. Le putem pune într-un computer și le putem rezolva.”

Echipa a folosit aceste noi calcule pentru a modela proprietățile unui foton emis de pe suprafața unei nanoparticule, descriind interacțiunile cu emițătorul și modul în care fotonul s-a propagat departe de sursă. Din aceste rezultate, echipa a generat prima imagine a unui foton, o particulă în formă de lămâie nemaivăzută până acum în fizică.

Yuen a subliniat, totuși, că aceasta este doar forma unui foton generat în aceste condiții. „Forma se schimbă complet odată cu mediul”, a spus el. „Acesta este cu adevărat scopul nanofotonicii, că prin modelarea mediului, putem modela cu adevărat fotonul în sine”.

Calculele echipei oferă o perspectivă fundamentală asupra proprietăților acestei particule cuantice – cunoștințe despre care Yuen crede că vor deschide noi linii de cercetare pentru fizicieni, chimiști și biologi deopotrivă.

„Ne-am putea gândi la dispozitive optoelectronice, la fotochimie, la recoltarea luminii și la fotovoltaică, la înțelegerea fotosintezei, biosenzorilor și a comunicării cuantice”, a spus Yuen. „Și vor exista o mulțime de aplicații necunoscute. Făcând acest tip de teorie fundamentală, deblocați noi posibilități în alte domenii”.

Victoria Atkinson este o jurnalistă științifică independentă, specializată în chimie și interfața acesteia cu lumea naturală și cea creată de om. În prezent, cu sediul în York (Marea Britanie), ea a lucrat anterior ca dezvoltator de conținut științific la Universitatea din Oxford, iar mai târziu ca membru al echipei editoriale Chemistry World. De când a devenit freelancer, Victoria și-a extins atenția pentru a explora subiecte din toate știința și a lucrat, printre altele, cu Chemistry Review, Neon Squid Publishing și Open University. Ea are un doctorat în chimie organică la Universitatea din Oxford.