Svetelná štúdia odhalila prvý obrázok tvaru jedného fotónu

Fotóny sú to, čo nám umožňuje vidieť očami aj fotoaparátmi. Keď sa dostanú na našu sietnicu alebo na snímače fotoaparátu, nesú so sebou informácie o zdroji, ktorý ich vyslal, alebo o objektoch, od ktorých sa cestou odrazili, čo umožňuje nášmu mozgu alebo fotoaparátu vytvoriť obraz.

Jedna vec, ktorú však fotóny nikdy nemôžu zachytiť, sú iné fotóny. Je to preto, že medzi sebou nijako neinteragujú. Fyzici z Birminghamskej univerzity však teraz vytvorili matematicky presnú vizualizáciu tvaru fotónu.

„Vizualizácia je presnou simuláciou fotónu, ako ho vyžaruje atóm, ktorý sa nachádza na povrchu nanočastice,“ povedal Ben Yuen, spoluautor štúdie. „Tvar fotónu je hlboko ovplyvnený nanočasticou, čo tisíckrát zvyšuje pravdepodobnosť, že fotón bude emitovaný, a dokonca umožňuje, aby bol atómom viackrát absorbovaný.“

„Tvar“ fotónu je zložitá vec na určenie a neznamená to úplne to isté ako ilustrovanie tvaru bežného objektu. Namiesto toho je to distribúcia intenzity, v podstate mapa miesta, kde by ste mohli očakávať, že nájdete fotón v určitom časovom bode. Svetlejšie oblasti naznačujú vyššiu šancu, že sa tam fotón objaví, keď sa zmeria jeho poloha.

„Vizualizácia je presne taká distribúcia fotónu krátko po jeho vyžarovaní,“ povedal Yuen. „Pretože ide o kvantovú časticu, nemôžete ju zmerať jedným ťahom, pretože meranie ju zničí. Ak by ste však mnohokrát opakovali meranie miesta, kde bol fotón detegovaný, videli by ste presne toto rozdelenie. Okrem toho a jedna z najpodivnejších vecí na kvantovej mechanike je, že predtým, ako sa fotón vôbec zistí, všetky podrobné informácie o tomto rozložení intenzity už existujú prostredníctvom toho, čo nazývame jeho „vlnová funkcia“, čo je presne to, čo sme dokázali počítať prvýkrát.“

Takže s dlhou históriou štúdia fotónov sa derie na jazyk otázka, prečo vedci nedokázali vytvoriť tento druh obrazu skôr? Ukázalo sa, že Yuen a spoluautorka Angela Demetriadouová sa o to aktívne nepokúšali, vzniklo to ako druh vedľajšieho produktu všeobecnejšej štúdie.

„Zaumienili sme si odpovedať na niečo celkom zásadné: Ako sú fotóny skutočne emitované atómami a molekulami a aký vplyv na to má ich prostredie?“ povedal Yuen. „Toto je niečo, čo fyzici dokážu presne modelovať iba v dokonalom vákuu obsahujúcom iba jeden atóm / molekulu, ale nič iné. Už dlho je však známe, že životné prostredie môže mať na tento proces hlboký vplyv, no žiadna teória nedokázala úplne zachytiť všetky jeho detaily.“

Aby to tím dosiahol, začal vývojom verzie kvantovej teórie poľa, ktorá zahŕňala kremíkové nanočastice interagujúce s fotónmi. Problém je v tom, že v podstate existuje nekonečné množstvo možností, ako môžu nanočastice interagovať so spojitým spektrom svetla. Našťastie tím našiel spôsob, ako to zúžiť.

„Použili sme odvetvie matematiky nazývané ako komplexná analýza na transformáciu problému zo súvislej množiny založenej na reálnych číslach na diskrétnu množinu založenú na niektorých odlišných komplexných číslach,“ povedal Yuen. „Aj keď sa to môže zdať ‚zložité‘, tento problém výrazne zjednodušilo, čo nám umožnilo presne ho predstaviť ako interakciu len s niekoľkými stovkami ‚zložitých‘ svetelných režimov.“

Táto práca mimochodom umožnila tímu vytvoriť vyššie uvedenú vizualizáciu fotónov.

„Celkom prekvapivo, keď sme to urobili, množstvo detailov sa práve začalo zhmotňovať z našej teórie, ako napríklad presne to, ako sa šíri svetlo a aký presne sa očakáva tvar distribúcie intenzity fotónov,“ povedal Yuen.

Vedci tvrdia, že táto práca výrazne zlepšuje naše chápanie toho, ako svetlo a hmota interagujú, čo by mohlo mať aplikácie v solárnych článkoch, kvantových výpočtoch a senzoroch. Výskum bol nedávno publikovaný v magazíne Physical Review Letters.