Byla vytvořena první přímá vizualizace tvaru fotonu. Tyto částice světla není možné vyfotografovat, ale fyzici na univerzitě v Birminghamu nyní vypočítali jejich vlnovou funkci, aby vytvořili přesný obraz emitovaného fotonu.
Fotony jsou to, co nám umožňuje vidět, jak očima, tak kamerami. Když dosáhnou našich sítnic nebo kamerových senzorů, nesou s sebou informace o zdroji, který je vysílal, nebo předmětech, od kterých se na cestě odrazily, což našemu mozku nebo kamerám umožňuje vytvořit obraz.
Avšak jedna věc, kterou fotony nikdy nemohou zachytit, jsou jiné fotony. To proto, že spolu nijak neinteragují. Nyní však birminghamští fyzici vytvořili další nejlepší věc: matematicky přesnou vizualizaci tvaru fotonu.
„Vizualizace je přesnou simulací fotonu, jak je emitován atomem sedícím na povrchu nanočástice,“ řekl spoluautor Ben Yuen pro New Atlas. „Tvar fotonu je hluboce ovlivněn nanočásticemi, takže je tisíckrát pravděpodobnější, že je foton emitován, a dokonce umožňuje, aby byl atomem několikrát znovu absorbován.“
„Tvar“ fotonu je ošemetná věc, kterou lze určit, a neznamená to úplně totéž, jako ilustrovat tvar běžného objektu. Místo toho je to rozložení intenzity – v podstatě mapa místa, kde byste mohli očekávat, že foton v určitém časovém okamžiku najdete. Jasnější oblasti indikují vyšší šanci, že se tam foton objeví, když se změří jeho poloha.
„Vizualizace je přesně taková distribuce fotonu krátce poté, co byl emitován,“ řekl nám Yuen. „Protože je to kvantová částice, nemůžete ji změřit najednou, protože měření ji zničí.“ Pokud byste však měření místa, kde byl foton detekován, opakovali mnohokrát, viděli byste přesně toto rozložení.
„Navíc, a jedna z nejpodivnějších věcí na kvantové mechanice, je, že předtím, než je foton vůbec detekován, všechny podrobné informace o tomto rozložení intenzity již existují prostřednictvím toho, čemu říkáme ‚vlnová funkce‘, což je přesně to, co jsme byli schopni zjistit. počítejte poprvé,“ pokračuje Yuen.
Takže s dlouhou historií studia fotonů, proč vědci nebyli schopni vytvořit tento druh obrazu dříve? Ukázalo se, že Yuen a spoluautorka Angela Demetriadou se o to aktivně nepokoušeli – vzniklo to jako druh vedlejšího produktu obecnější studie.
„Vydali jsme se odpovědět na něco docela zásadního: Jak jsou fotony skutečně emitovány atomy a molekulami a jaký vliv na to má jejich prostředí?“ Yuen nám to řekl. „Toto je něco, co fyzici dokázali přesně modelovat pouze v dokonalém vakuu obsahujícím pouze jeden atom/molekulu, ale nic jiného kolem. Již dlouhou dobu je však známo, že životní prostředí může mít na tento proces hluboký vliv, ale žádná teorie nedokázala plně zachytit všechny jeho detaily.“
Aby toho tým dosáhl, začal vývojem verze kvantové teorie pole, která zahrnovala křemíkové nanočástice interagující s fotony. Problém je v tom, že existuje v podstatě nekonečné množství možností, jak mohou nanočástice interagovat se spojitým spektrem světla. Naštěstí tým našel způsob, jak to zúžit.
„Použili jsme odvětví matematiky nazývané komplexní analýza k transformaci problému ze spojité množiny založené na reálných číslech na diskrétní množinu založenou na určitých odlišných komplexních číslech,“ řekl Yuen. „Ačkoli by se to mohlo zdát ‚složité‘, tento problém výrazně zjednodušilo, což nám umožnilo přesně jej představit jako interakci s několika stovkami ‚složitých‘ světelných režimů.
Tato práce mimochodem umožnila týmu vytvořit výše uvedenou fotonovou vizualizaci.
„Zcela překvapivě, když jsme to udělali, začalo z naší teorie vypadat mnoho detailů, jako je přesně to, jak se světlo šíří a jaký přesně se očekává tvar rozložení intenzity fotonů,“ řekl Yuen.
Výzkumníci říkají, že tato práce drasticky zlepšuje naše chápání toho, jak světlo a hmota interagují, což by mohlo mít aplikace v solárních článcích, kvantových počítačích a senzorech.
Výzkum byl publikován v časopise Dopisy fyzické revize.
Zdroj: University of Birmingham
Čerpáme z těchto zdrojů: google.com, science.org, newatlas.com, wired.com, pixabay.com
