Naukowcy opracowali nową teorię kwantową, która po raz pierwszy definiuje dokładny kształt a fotonpokazując jego interakcję z atomami i otoczeniem.
Ten przełom umożliwia wizualizację fotonów i może zrewolucjonizować technologie nanofotoniczne, poprawiając bezpieczną komunikację, wykrywanie patogenów i kontrolę molekularną w reakcjach chemicznych.
Przełomowa teoria kwantowa umożliwiła naukowcom po raz pierwszy określenie dokładnego kształtu pojedynczego fotonu.
Naukowcy z Uniwersytet w Birminghamktórego twórczość jest prezentowana w Listy z przeglądu fizycznegozagłębili się w zawiłe zachowanie fotonów – pojedynczych cząstek światła. Ich badania ujawniają, w jaki sposób fotony są emitowane przez atomy lub cząsteczki oraz jak na ich kształt wpływa otaczające środowisko.
Kwantowe wyzwania i przełomy
Ta złożona interakcja stwarza nieskończone możliwości istnienia i poruszania się światła w otoczeniu. Jednak ten ogromny potencjał sprawia, że modelowanie tych interakcji jest niezwykle trudnym wyzwaniem, z którym fizycy kwantowi borykają się od dziesięcioleci.
Grupując te możliwości w odrębne zbiory, zespół z Birmingham był w stanie stworzyć model opisujący nie tylko interakcje między fotonem a emiterem, ale także sposób, w jaki energia z tej interakcji przemieszcza się do odległego „pola dalekiego”.
Wizualizacja fotonów
Jednocześnie udało im się wykorzystać swoje obliczenia do stworzenia wizualizacji samego fotonu.
Pierwszy autor, dr Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki Uniwersytetu, wyjaśnił: „Nasze obliczenia umożliwiły nam przekształcenie pozornie nierozwiązywalnego problemu w coś, co można obliczyć. I niemal jako produkt uboczny modelu byliśmy w stanie wygenerować obraz fotonu, coś, czego nie widziano wcześniej w fizyce”.
Implikacje dla fizyki i technologii kwantowej
Praca jest ważna, ponieważ otwiera nowe kierunki badań dla fizyków kwantowych i nauk o materiałach. Będąc w stanie precyzyjnie określić, w jaki sposób foton oddziałuje z materią i innymi elementami swojego otoczenia, naukowcy mogą zaprojektować nowe technologie nanofotoniczne, które mogą na przykład zmienić sposób, w jaki bezpiecznie się komunikujemy, wykrywać patogeny lub kontrolować reakcje chemiczne na poziomie molekularnym.
Współautorka, profesor Angela Demetriadou, również z Uniwersytetu w Birmingham, powiedziała: „Geometria i właściwości optyczne środowiska mają głębokie konsekwencje dla sposobu emisji fotonów, w tym definiują kształt, kolor, a nawet prawdopodobieństwo fotonu istnieć.”
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 bliskiego i odległego otoczenia. Wiele z tych informacji wcześniej uważano za po prostu „szum”, ale jest w nich tak wiele informacji, że możemy je teraz zrozumieć i wykorzystać. Rozumiejąc to, kładziemy podwaliny pod możliwość projektowania interakcji światła z materią do przyszłych zastosowań, takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub obliczenia kwantowe.”
Odniesienie: „Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments”, Ben Yuen i Angela Demetriadou, 14 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203604
