Naukowcy opracowali nową teorię kwantową, która po raz pierwszy definiuje dokładny kształt fotonu, pokazując jego interakcję z atomami i otoczeniem.
To przełomowe odkrycie umożliwia wizualizację fotonów i może zrewolucjonizować technologie nanofotoniczne, zwiększając bezpieczną komunikację, wykrywanie patogenów i kontrolę molekularną w reakcjach chemicznych.
Przełomowa teoria kwantowa pozwoliła badaczom po raz pierwszy zdefiniować dokładny kształt pojedynczego fotonu.
Naukowcy z University of Birmingham, których prace zostały opisane w Physical Review Letters, zagłębili się w skomplikowane zachowanie fotonów — pojedynczych cząstek światła. Ich badania ujawniają, w jaki sposób fotony są emitowane przez atomy lub cząsteczki i jak na ich kształt wpływa otaczające środowisko.
Ta złożona interakcja daje początek nieskończonym możliwościom istnienia światła i poruszania się w jego otoczeniu. Jednak ten ogromny potencjał sprawia, że modelowanie tych interakcji jest niezwykle trudnym wyzwaniem — takim, z którym fizycy kwantowi zmagają się od dziesięcioleci.
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”.
Wizualizacja fotonów
Naukowcy jednocześnie byli w stanie wykorzystać swoje obliczenia do stworzenia wizualizacji samego fotonu.
Pierwszy autor badania, dr Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki Uniwersytetu, 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, czego wcześniej nie widziano w fizyce”.
Praca ta jest ważna, ponieważ otwiera nowe ścieżki badań 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 fotonu, koloru, a nawet prawdopodobieństwa jego 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 światło-materia dla przyszłych zastosowań, takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub komputery kwantowe”.
Więcej informacji: publikacja „Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments” autorstwa Bena Yuena i Angeli Demetriadou, 14 listopada 2024 r., Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203604
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Ilustracja: Nowa teoria, która wyjaśnia, jak światło i materia oddziałują na poziomie kwantowym, umożliwiła badaczom po raz pierwszy zdefiniowanie dokładnego kształtu pojedynczego fotonu. Źródło: Dr. Benjamin Yuen
