Jak wygląda pojedynczy foton? Naukowcy przybliżyli jego kształt

Badania prowadzone przez naukowców z University of Birmingham w Wielkiej Brytanii dotyczyły natury fotonów W niespotykanych dotąd szczegółach uczeni opisali, w jaki sposób światło i materia oddziałują ze sobą na poziomie kwantowym, jak są emitowane fotony przez atomy lub cząsteczki i jak są kształtowane przez otaczające je środowisko.

Rezultaty oraz opis tych prac ukazał się na łamach pisma "Physical Review Letters" (DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203604).

Foton jest cząstką elementarną zaliczaną do bozonów. Jest nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych. Nie posiada ładunku elektrycznego, a jego masa spoczynkowa jest zerowa. Foton ma zarówno cechy cząstki, jaki i fali elektromagnetycznej, w czym przejawia się jego dualizm korpuskularno-falowy. Światło rozprzestrzenia się jako fala, ale można je również opisać za pomocą odrębnych pakietów energii, które nazywamy fotonami.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Stworzony przez badaczy z University of Birmingham model komputerowy powstał, by lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło i materia oddziałują na siebie. To wyjątkowo trudne zadanie, ale zespołowi udało się uprościć problem.

Interakcje światła i materii prowadzą do nieskończonych możliwości istnienia i rozprzestrzeniania się światła w otaczającym je środowisku. To sprawia, że interakcje te są wyjątkowo trudne do modelowania. Poprzez segregowanie tych możliwości w odrębne zestawy, badacze byli wstanie opracować model, który opisuje nie tylko interakcje między fotonem a emiterem, ale także w jaki sposób energia z tej interakcji przemieszcza się. Przy okazji wykorzystali swoje obliczenia do stworzenia wizualizacji samego fotonu.

– Nasze obliczenia pozwoliły nam przekształcić pozornie nierozwiązywalny problem w coś, co można obliczyć. Jako produkt uboczny modelu, byliśmy w stanie stworzyć obraz fotonu, coś, czego wcześniej nie widziano w fizyce – powiedział dr Benjamin Yuen z University of Birmingham, pierwszy autor publikacji.

Praca ta otwiera nowe ścieżki badawcze dla fizyków kwantowych i dla uczonych zajmujących się materiałoznawstwem. Dzięki możliwości precyzyjnego zdefiniowania, w jaki sposób foton oddziałuje z materią i innymi elementami swojego otoczenia, naukowcy mogą zaprojektować nowe technologie nanofotoniczne, które mogłyby zmienić sposób, w jaki komunikujemy się, wykrywamy patogeny lub kontrolujemy reakcje chemiczne na poziomie molekularnym.

– Geometria i właściwości optyczne środowiska mają głębokie konsekwencje dla sposobu emisji fotonów, w tym określają kształt fotonu, kolor, a nawet prawdopodobieństwo jego istnienia – wyjaśniła profesor Angela Demetriadou z University of Birmingham, współautorka publikacji.

Interakcja między poszczególnymi fotonami a materią jest bardzo ważna w mechanice kwantowej. Napędza ona szereg różnych mechanizmów – niektóre z nich są fundamentalne dla wielu technologii, które wykorzystujemy każdego dnia. Zrozumienie interakcji było monumentalnym zadaniem. Światło rozprzestrzeniające się przez środowisko ma nieograniczone możliwości interakcji.

– Ta praca pomaga nam lepiej zrozumieć wymianę energii między światłem a materią, a po drugie lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło wpływa na swoje bliskie i dalsze otoczenie. Wiele z tych informacji było wcześniej uważane za zwykły "szum", ale w tym "szumie" jest wiele informacji, które teraz możemy zrozumieć i wykorzystać. Stworzyliśmy podstawy, aby móc projektować interakcje światło-materia dla przyszłych zastosowań, takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub komputery kwantowe – zaznaczył Yuen.

Źródło: University of Birmingham, fot. Dr Benjamin Yuen