Физики узнали наконец форму одиночного фотона
В Бирмингемском университете провели компьютерное моделирование взаимодействия света и материи, побочным результатом которого стало первое в истории изображение одиночного фотона.
Свет, как мы помним из школы, состоит из фотонов — минимальных порций энергии. Их взаимодействие с материей принципиально важно в квантовой механике. На нем основано множество различных физических механизмов — в том числе технологий, с которыми мы ежедневно сталкиваемся в повседневной жизни и, более того, без них ее уже нельзя представить. Понимание этого взаимодействия стало поистине фундаментальной задачей. При этом очевидно, что у света, распространяющегося через окружающую среду, безграничные возможности для взаимодействия.
Ученые взяли этот непрерывный ряд возможностей и упростили его, создав дискретный набор. Таким образом, они смогли смоделировать взаимодействие между излучателем и фотоном, а также то, как фотон перемещается в «дальнее поле». Результатами авторы исследования поделились на страницах Physical Review Letters.
«Наши вычисления позволили преобразовать, казалось бы, неразрешимую задачу в нечто, что можно вычислить. И, почти как побочный продукт модели, мы смогли создать изображение фотона — чего раньше не было в физике», — рассказал Бенджамин Юэнь с физфака университета.
Работа открывает новые направления исследований для квантовой физики и материаловедения. Имея возможность точно определить, как фотон взаимодействует с материей, ученые смогут разрабатывать инновационные нанофотонные технологии, которые найдут применение для безопасной коммуникации, обнаружения патогенов или управления химическими реакциями на молекулярном уровне.
«Геометрия и оптические свойства окружающей среды оказывают глубокое влияние на то, как испускаются фотоны, в том числе определяют форму фотонов, цвета и даже вероятность их существования», — добавила профессор Анжела Деметриаду.
«Эта работа помогает нам расширить наше понимание обмена энергией между светом и материей, а во-вторых, лучше понять, как свет излучается в близкое и отдаленное окружение. Раньше большая часть этой информации считалась просто «шумом», но на самом деле в ней так много информации, которую мы можем осмыслить и использовать», — подчеркнул Юэнь.
Таким образом, закладываются основы для проектирования взаимодействий света и материи для будущих приложений — таких как более совершенные датчики, улучшенные фотоэлементы или квантовые вычисления, заключил он.
