Використовуючи нову революційну техніку, дослідники представили перше детальне зображення фотона – окремої частинки світла – з усіх коли-небудь зроблених.
Дослідники з Бірмінгема створили перше зображення фотона – частинки світла у формі лимона, що випромінюється з поверхні наночастинки. Теорія, яка уможливила це зображення, опублікована 14 листопада в журналі Physical Review Letters, дозволяє вченим розраховувати і розуміти різні властивості цих квантових частинок, що може відкрити низку нових можливостей у таких галузях, як квантові обчислення, фотоелектричні пристрої та штучний фотосинтез.
Квантова поведінка світла добре відома: понад 100 років експериментів показують, що воно може існувати як у формі хвиль, так і у формі частинок. Але наше фундаментальне розуміння цієї квантової природи значно відстає, і ми маємо лише обмежене уявлення про те, як створюються і випромінюються фотони або як вони змінюються в просторі і часі.
“Ми хочемо зрозуміти ці процеси, щоб використовувати цю квантову сторону”, – сказав в інтерв’ю Live Science перший автор статті Бен Юен, науковий співробітник Бірмінгемського університету у Великобританії. “Як насправді взаємодіють світло і матерія на цьому рівні?”
Однак сама природа світла означає, що відповідь на це питання має майже безмежні можливості. “Ми можемо уявити собі фотон як фундаментальне збудження електромагнітного поля, – пояснив Юен. Ці поля являють собою континуум різних частот, кожна з яких потенційно може бути збуджена. “Ви можете розбити континуум на менші частини, і між будь-якими двома точками все ще існує нескінченна кількість можливих точок”, – додає Юен.
В результаті властивості фотона сильно залежать від властивостей його оточення, що призводить до неймовірно складної математики. “На перший погляд, ми повинні були б записати і розв’язати нескінченну кількість рівнянь, щоб отримати відповідь”, – сказав Юен.
Щоб вирішити це, здавалося б, неможливе завдання, Юен і співавторка Анжела Деметріаду, професор теоретичної нанофотоніки в Університеті Бірмінгема, застосували розумний математичний трюк, щоб значно спростити рівняння.
Введення уявних чисел – кратних неможливому квадратному кореню з -1 – є потужним інструментом для роботи зі складними рівняннями. Маніпулювання цими уявними компонентами дозволяє багатьом складним членам рівняння взаємно компенсувати один одного. За умови, що всі уявні числа будуть перетворені назад у дійсні числа до того, як буде знайдено розв’язок, це робить обчислення набагато більш керованими.
“Ми перетворили континуум реальних частот на дискретний набір комплексних частот, – пояснив Юен. “Таким чином ми спростили рівняння з континууму в дискретний набір, з яким ми можемо працювати. Ми можемо ввести їх у комп’ютер і розв’язати”.
Команда використала ці нові розрахунки для моделювання властивостей фотона, випромінюваного з поверхні наночастинки, описуючи взаємодію з випромінювачем і те, як фотон поширюється в напрямку від джерела. На основі цих результатів команда створила перше зображення фотона – частинки у формі лимона, яку ніколи раніше не бачили у фізиці.
Однак Юен підкреслив, що це лише форма фотона, який генерується за цих умов. “Форма повністю змінюється в залежності від навколишнього середовища”, – сказав він. “У цьому і полягає суть нанофотоніки: формуючи середовище, ми можемо формувати сам фотон”.
Розрахунки команди дають фундаментальне розуміння властивостей цієї квантової частинки – знання, які, на думку Юена, відкриють нові напрямки досліджень для фізиків, хіміків і біологів.
“Ми можемо думати про оптоелектронні пристрої, фотохімію, збір світла і фотовольтаїку, розуміння фотосинтезу, біосенсори і квантовий зв’язок”, – сказав Юен. “І буде ціла низка невідомих застосувань. Займаючись такою справді фундаментальною теорією, ви відкриваєте нові можливості в інших сферах”.
