Kaip atrodo mažiausia šviesos dalelė? Pirmą kartą pateikė fotono vaizdą (Foto)

Fotonai yra tai, kas leidžia mums matyti tiek akimis, tiek fotoaparatais. Kai jie pasiekia mūsų tinklainę ar fotoaparato jutiklius, jie su savimi neša informaciją apie juos išspinduliavusį šaltinį ar pakeliui atsitrenkusius objektus – todėl mūsų smegenys (ar fotoaparatai) gali sudaryti vaizdą.

Tačiau vienas dalykas, kurio fotonai niekada negali užfiksuoti, yra kiti fotonai. Taip yra todėl, kad jie niekaip nesąveikauja tarpusavyje. Tačiau dabar Birmingemo fizikai sukūrė antrą pagal gerumą įmanomą dalyką: matematiškai tikslią fotono formos vizualizaciją.

„Ši vizualizacija yra tiksli fotono, kurį išspinduliuoja atomas, esantis ant nanodalelės paviršiaus, simuliacija, – teigia vienas iš tyrimo autorių Benas Yuenas. – Nanodalelė daro didelę įtaką fotono formai, todėl tikimybė, kad fotonas bus išspinduliuotas, yra tūkstančius kartų didesnė ir net leidžia atomui jį pakartotinai sugerti kelis kartus.“

Using a groundbreaking new technique, researchers have unveiled the first detailed image of a photon — a single particle of light — ever taken.

[Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments, Ben Yuen and Angela Demetriadou, 2024, Physical Review Letters] pic.twitter.com/v66oJTslh1

— Massimo (@Rainmaker1973) November 30, 2024

Nustatyti fotono „formą“ yra sudėtinga – ir tai reiškia ne visai tą patį, kaip pavaizduoti įprasto objekto formą. Tai intensyvumo pasiskirstymas – iš esmės žemėlapis, kuriame galima tikėtis rasti fotoną tam tikru laiko momentu. Šviesesnės sritys rodo didesnę tikimybę, kad matuojant fotono buvimo vietą jis ten pasirodys.

„Vizualizacija yra būtent toks fotono pasiskirstymas praėjus trumpam laikui po to, kai jis buvo išspinduliuotas, – pasakoja B. Yuenas. – Kadangi tai kvantinė dalelė, jos negalima išmatuoti vienu kartu, nes matavimas ją sunaikina. Tačiau jei matavimą, kurioje vietoje buvo užfiksuotas fotonas, pakartotumėte daug kartų, pamatytumėte būtent tokį pasiskirstymą“.

Be to, pasak mokslininko, vienas keisčiausių kvantinės mechanikos dalykų yra tas, kad prieš aptinkant fotoną, visa išsami informacija apie šį intensyvumo pasiskirstymą jau egzistuoja per tai, ką vadiname jo „bangine funkcija“ – ir būtent ją tyrėjams pirmą kartą pavyko apskaičiuoti.

Bet kodėl mokslininkai, turėdami ilgą fotonų tyrimo istoriją, anksčiau nesugebėjo sukurti tokio vaizdo? Pasirodo, B. Yuenas ir bendraautorė Angela Demetriadou aktyviai nebandė – tai atsirado kaip savotiškas šalutinis bendresnio tyrimo produktas.

„Mes siekėme atsakyti į esminius klausimus: kaip atomai ir molekulės iš tikrųjų išspinduliuoja fotonus ir kokią įtaką tam daro aplinka?, – pasakoja B. Yuenas. – Fizikams tai pavyko tiksliai sumodeliuoti tik tobulame vakuume, kuriame yra tik vienas vienintelis atomas ar molekulė, bet aplink nėra nieko kito. Tačiau jau seniai žinoma, kad aplinka gali daryti didžiulę įtaką šiam procesui, tačiau nė viena teorija nesugebėjo iki galo aprėpti visų jo detalių.“

Kad pasiektų tokį tikslą, komanda pradėjo nuo kvantinės lauko teorijos versijos, kurioje buvo įtraukta silicio nanodalelė, sąveikaujanti su fotonais. Problema ta, kad iš esmės yra begalė galimybių, kaip nanodalelė gali sąveikauti su ištisiniu šviesos spektru. Laimei, komanda rado būdą, kaip jas susiaurinti.

„Pasinaudojome matematikos šaka, vadinama kompleksine analize, kad transformuotume problemą iš ištisinės aibės, pagrįstos realiaisiais skaičiais, į diskrečiąją aibę, pagrįstą tam tikrais aiškiais kompleksiniais skaičiais, – aiškina B. Yuenas. – Nors tai gali atrodyti sudėtinga, tai labai supaprastino problemą ir leido ją tiksliai pavaizduoti kaip sąveiką su vos keliais šimtais sudėtingų šviesos režimų.

Šis darbas, beje, leido komandai sukurti pirmiau pateiktą fotonų vizualizaciją“.

„Nuostabu, bet kai tai padarėme, iš mūsų teorijos ėmė aiškėti daugybė detalių – pavyzdžiui, kaip tiksliai sklinda šviesa ir kokia turėtų būti fotonų intensyvumo pasiskirstymo forma“, – apibendrina tyrėjas.

Mokslininkai teigia, kad šis darbas labai pagerina mūsų supratimą apie šviesos ir materijos sąveiką, o tai gali būti pritaikoma saulės elementuose, kvantiniuose kompiuteriuose ir jutikliuose.

Tyrimas paskelbtas žurnale „Physical Review Letters“.

Parengta pagal „New Atlas“.