Folosind o nouă tehnică revoluționară, cercetătorii au obținut prima imagine detaliată a unui foton - o singură particulă de lumină - realizată vreodată, transmite Live Science.
Cercetătorii din Birmingham au creat prima imagine a unui foton, o particulă de lumină în formă de lămâie emisă de pe suprafața unei nanoparticule. Teoria care a făcut posibilă această imagine, publicată pe 14 noiembrie în revista Physical Review Letters, permite oamenilor de știință să calculeze și să înțeleagă diverse proprietăți ale acestor particule cuantice - ceea ce ar putea deschide o serie de noi posibilități în domenii precum calculul cuantic, dispozitivele fotovoltaice și fotosinteza artificială.
Comportamentul cuantic al luminii este bine stabilit, peste 100 de ani de experimente demonstrând că aceasta poate exista atât sub formă de unde, cât și 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 aceștia se modifică în spațiu și timp.
[GAL layout="3"]„Vrem să fim capabili să înțelegem aceste procese pentru a valorifica acea latură cuantică”, a declarat autorul Ben Yuen, cercetător la Universitatea Birmingham din Marea Britanie, pentru Live Science. „Cum interacționează cu adevărat lumina și materia la acest nivel?”
Ce este un foton
Cu toate acestea, însăși natura luminii înseamnă că răspunsul la această întrebare are posibilități aproape nelimitate. „Ne putem gândi la un foton ca la o excitare fundamentală a unui câmp electromagnetic”, a explicat Yuen. Aceste câmpuri sunt un continuum de frecvențe diferite, fiecare dintre acestea putând deveni potențial excitată. „Puteți împărți un continuum în părți mai mici, iar între oricare două puncte, există în continuare un număr infinit de puncte posibile pe care le puteți alege”, a adăugat Yuen.
Rezultatul este că proprietățile unui foton depind foarte mult de proprietățile mediului său înconjurător, ceea ce conduce 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 declarat Yuen.
Pentru a aborda această sarcină aparent imposibilă, Yuen și coautorul Angela Demetriadou, profesor de nanofotonică teoretică la Universitatea din Birmingham, au folosit un truc matematic inteligent pentru a simplifica dramatic ecuațiile.
Introducerea numerelor imaginare - multipli ai imposibilei rădăcini pătrate a lui -1 - este un instrument puternic în manipularea ecuațiilor 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, aceasta lasă un calcul mult mai ușor de gestionat.
Prima imagine a unui foton, o particulă în formă de lămâie nemaivăzută până acum în fizică
„Am transformat acel continuum de frecvențe reale într-un set discret de frecvențe complexe”, a explicat Yuen. „Procedând astfel, simplificăm ecuațiile dintr-un continuum într-un set discret pe care îl putem gestiona. Putem să le introducem într-un computer și să le rezolvăm.”
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. Pe baza acestor 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 cu mediul”, a spus el. „Acesta este de fapt scopul nanofotonicii: 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, fotochimie, captarea luminii și fotovoltaică, înțelegerea fotosintezei, biosenzori și comunicare cuantică”, a declarat Yuen. „Și va exista o întreagă serie de aplicații necunoscute. Realizând acest tip de teorie cu adevărat fundamentală, deblochezi noi posibilități în alte domenii.”