Вчені вперше показали зображення окремого фотона

Використовуючи новаторську нову техніку, дослідники оприлюднили перше детальне зображення фотона — окремої частинки світла, — коли-небудь зроблене. Дослідники з Бірмінгема створили перше зображення фотона, частинки світла у формі лимона, що випромінюється з поверхні наночастинки.

Теорія, завдяки якій це зображення стало можливим, опублікована 14 листопада в журналі Physical Review Letters, дозволяє вченим обчислити та зрозуміти різні властивості цих квантових частинок, що може відкрити низку нових можливостей у таких галузях, як квантові обчислення, фотоелектричні пристрої. і штучний фотосинтез.

Квантова поведінка світла добре встановлена, оскільки понад 100 років експериментів показують, що воно може існувати як у формі хвилі, так і у формі частинок. Але наше фундаментальне розуміння цієї квантової природи набагато відстало, і ми маємо лише обмежене уявлення про те, як фотони створюються та випромінюються, або як вони змінюються в просторі та часі.

«Ми хочемо зрозуміти ці процеси, щоб використовувати цю квантову сторону», — сказав Live Science в електронному листі перший автор Бен Юен, науковий співробітник Університету Бірмінгема у Великобританії. «Як насправді взаємодіють світло і матерія на цьому рівні?»

Однак сама природа світла означає, що відповідь на це запитання має майже безмежні можливості. «Ми можемо вважати фотон фундаментальним збудженням електромагнітного поля», — пояснив Юен. Ці поля являють собою континуум різних частот, кожна з яких може потенційно збуджуватися. «Ви можете розділити континуум на менші частини, і між будь-якими двома точками все ще є нескінченна кількість можливих точок, які ви можете вибрати», — додав Юен.

В результаті властивості фотона сильно залежать від властивостей його середовища, що призводить до неймовірно складної математики. «На перший погляд, нам довелося б записати та розв’язати нескінченну кількість рівнянь, щоб отримати відповідь», — сказав Юен.

Щоб впоратися з цим, здавалося б, неможливим завданням, Юен і співавтор Анджела Деметріаду, професор теоретичної нанофотоніки в Бірмінгемському університеті, застосували хитрий математичний трюк, щоб значно спростити рівняння.

Введення уявних чисел — кратних неможливого квадратного кореня з -1 — є потужним інструментом для обробки складних рівнянь. Маніпулювання цими уявними компонентами дозволяє багатьом складним членам у рівнянні скасовувати один одного. За умови, що всі уявні числа перетворюються назад у дійсні числа перед досягненням розв’язку, це робить обчислення набагато легшим.

«Ми перетворили цей континуум реальних частот у дискретний набір складних частот», — пояснив Юен. «Таким чином ми спрощуємо рівняння з континууму в дискретний набір, з яким ми можемо працювати. Ми можемо помістити їх у комп’ютер і розв’язати».

Команда використала ці нові розрахунки для моделювання властивостей фотона, що випускається з поверхні наночастинки, описуючи взаємодію з емітером і те, як фотон поширюється від джерела. На основі цих результатів команда створила перше зображення фотона, частинки у формі лимона, якої ніколи раніше не бачили у фізиці.

Однак Юен підкреслив, що це лише форма фотона, який утворюється в цих умовах. «Форма повністю змінюється разом із середовищем», — сказав він. «Це справді суть нанофотоніки, що, формуючи середовище, ми дійсно можемо формувати сам фотон».

Розрахунки команди дають фундаментальне розуміння властивостей цієї квантової частинки — знання, яке, на думку Юена, відкриє нові напрямки досліджень як для фізиків, хіміків, так і для біологів.

«Ми могли б думати про оптоелектронні пристрої, фотохімію, збір світла та фотоелектричну енергетику, розуміння фотосинтезу, біосенсори та квантовий зв’язок», — сказав Юен. «І буде ціла низка невідомих застосувань. Виконуючи таку дійсно фундаментальну теорію, ви відкриваєте нові можливості в інших сферах».