Un grup de cercetători de la Universitatea din Birmingham, în Regatul Unit, a reușit să realizeze o descoperire majoră în fizică: pentru prima dată, au reușit să vizualizeze forma unui singur foton. Această descoperire a fost posibilă datorită unui model computerizat inovator care simplifică interacțiunea complexă dintre lumină și materie, o provocare majoră în fizică și mecanică cuantică. Rezultatele au fost prezentate într-un articol publicat în Physical Review Letters.
Fotonii, particulele de lumină, au fost întotdeauna un subiect fascinant pentru oamenii de știință. De la descoperirea lor, s-a demonstrat că lumina se comportă atât ca undă, cât și ca particulă, un fenomen cunoscut sub numele de dualitate undă-particulă. Acest concept, care a avut nevoie de secole pentru a fi enunțat, a fost crucial pentru progresul mecanicii cuantice, ramura fizicii care studiază interacțiunile subatomice. Fotonii sunt responsabili pentru multe fenomene, inclusiv iluminatul, telecomunicațiile și chiar tehnologia ecranului tactil. În ciuda importanței lor, natura exactă a formei lor a rămas un mister, până când această echipă de cercetători a găsit o nouă modalitate de a le vizualiza.
Desigur, acest lucru nu a fost ușor. Înțelegerea modului în care un foton interacționează cu mediul său este o sarcină descurajantă de complexă, deoarece lumina interacționează cu materia în moduri infinit de variate. Pe măsură ce lumina se propagă, ea poate fi absorbită, reflectată, difractată sau refractată de diferite materiale și suprafețe, iar fiecare tip de interacțiune are consecințe distincte. Echipa de la Universitatea din Birmingham a abordat această complexitate transformând problema în ceva mai simplu de modelat. În loc să trateze lumina și interacțiunile ei ca pe un număr infinit de posibilități, au reușit să le reducă la un set discret de cazuri analizabile. Acest lucru le-a permis să dezvolte un model de computer care simulează emisia unui foton de la un obiect (emițător) și modul în care acesta se mișcă printr-un mediu. Modelul computerizat dezvoltat de echipă a făcut posibilă facerea detaliilor vizibile până acum invizibile pentru ochii cercetătorilor. Într-adevăr, datorită calculelor lor, ei au putut să simuleze nu numai emisia unui foton, ci și comportamentul acestuia într-un câmp îndepărtat, o regiune a spațiului în care lumina se propagă departe de emițătorul său. A fost o mare surpriză când echipa a descoperit că modelul lor putea vizualiza forma exactă a unui singur foton. Cu alte cuvinte, au reușit să producă o imagine reprezentând structura fizică a unei particule de lumină.
„Calculele noastre ne-au permis să transformăm o problemă aparent insolubilă în ceva care poate fi calculat. Și, aproape ca un produs secundar al modelului, am reușit să producem această imagine a unui foton, ceva ce nu a mai fost observat până acum în fizică”, a spus dr. Benjamin Yuen, autorul principal al studiului. Acest rezultat deschide calea către o mai bună înțelegere a luminii și a interacțiunilor acesteia cu materia.
Această descoperire teoretică ar putea avea aplicații practice în multe domenii tehnologice. Înțelegerea modului în care lumina interacționează cu materia este esențială pentru tehnologii de ultimă oră, cum ar fi celulele fotovoltaice, utilizate în energia solară, senzorii optici utilizați în diverse dispozitive sau chiar calculul cuantic, un domeniu care încearcă să exploateze proprietățile mecanicii cuantice pentru a dezvolta o putere mai puternică. calculatoare.
Lucrările cercetătorilor de la Universitatea din Birmingham arată, de asemenea, că este posibil să înțelegem mai bine proprietățile optice ale mediului, inclusiv modul în care sunt emiși fotonii și modul în care culoarea și forma lor pot fi influențate de materialele în care sunt utilizate. „Geometria și proprietățile optice ale mediului au consecințe profunde asupra modului în care sunt emiși fotonii, inclusiv definiția formei, culorii și chiar a probabilității ca aceștia să existe”, explică profesorul Angela Demetriadou, co-autor al studiului.
Stăpânind această interacțiune dintre lumină și materie, cercetătorii speră să deschidă calea către tehnologii optice mai eficiente și mai precise, oferind în același timp instrumente pentru a înțelege mai bine fenomenele fizice ale Universului. Pe scurt, vizualizarea formei unui foton marchează așadar un punct de cotitură în înțelegerea luminii și a interacțiunilor acesteia cu materia. Datorită acestui model IT inovator, cercetătorii de la Universitatea din Birmingham au reușit să rezolve o întrebare aparent insolubilă, punând în același timp bazele pentru noi aplicații în domenii atât de diverse precum energia, comunicațiile și computerele. Acest progres, deși teoretic, ar putea avea repercusiuni profunde asupra tehnologiilor de mâine și asupra înțelegerii fundamentale a Universului la scară cuantică.
