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, umożliwiając bezpieczniejszą komunikację oraz skuteczniejsze wykrywanie patogenów i kontrolę molekularną w reakcjach chemicznych. Nowa teoria kwantowa pozwoliła badaczom po raz pierwszy zdefiniować dokładny kształt pojedynczego fotonu.
Naukowcy z Uniwersytetu w Birmingham zbadali skomplikowane zachowanie fotonów, czyli 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 się wykorzystać w praktyce na wiele sposobów, jednak modelowanie tych interakcji jest wyzwaniem, z którym fizycy kwantowi zmagają się od dziesięcioleci.
Dzięki pogrupowaniu tych 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 artykułu, dr Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Birmingham, wyjaśnił:
Nasze obliczenia pozwoliły nam przekształcić pozornie nierozwiązywalny problem w coś, co można obliczyć. Byliśmy w stanie stworzyć obraz fotonu, czego wcześniej nie widziano w fizyce.
Badania te otwierają nowe ścieżki badań dla fizyki kwantowej i nauki o materiałach. Dzięki możliwości precyzyjnego zdefiniowania, w jaki sposób foton oddziałuje z materią i innymi elementami swojego otoczenia, naukowcy mogą opracowywać nowe technologie nanofotoniczne, które mogą zmienić sposób, w jaki bezpiecznie się komunikujemy, wykrywamy patogeny lub kontrolujemy reakcje chemiczne na poziomie molekularnym.
Współautorka, prof. Angela Demetriadou, powiedziała:
Geometria i właściwości optyczne otoczenia mają głębokie konsekwencje dla sposobu emisji fotonów, w tym określana kształtu i koloru fotonu, a nawet prawdopodobieństwa tego, że w ogóle się on pojawi.
Doktor Yuen dodał:
Możemy teraz lepiej zrozumieć wymianę energii między światłem a materią, jak również w jaki sposób światło promieniuje do swojego bliskiego i dalekiego otoczenia. Wiele z tych danych było wcześniej uważanych za „szum” – ale jest w nich wiele informacji, które teraz możemy zrozumieć i wykorzystać. Stworzyliśmy podstawy kształtowania oddziaływań światło-materia, co będzie można wykorzystać do projektowania np. lepszych czujników, ulepszonych ogniw fotowoltaicznych lub komputerów kwantowych.
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 zdefiniowanie po raz pierwszy dokładnego kształtu pojedynczego fotonu. Źródło: Dr. Benjamin Yuen
