Η πρώτη άμεση απεικόνιση του σχήματος ενός φωτονίου είναι πλέον γεγονός! Αυτά τα σωματίδια του φωτός είναι αδύνατο να φωτογραφηθούν, αλλά οι Φυσικοί του University of Birmingham έχουν πλέον υπολογίσει την κυματοσυνάρτησή τους για να δημιουργήσουν μια ακριβή εικόνα ενός φωτονίου καθώς εκπέμπεται.
Τα φωτόνια είναι αυτά που μας επιτρέπουν να βλέπουμε, τόσο με τα μάτια μας όσο και με τις φωτογραφικές μηχανές. Όταν φτάνουν στον αμφιβληστροειδή μας ή στους αισθητήρες της κάμερας, μεταφέρουν μαζί τους πληροφορίες για την πηγή που τα εξέπεμψε ή για αντικείμενα στα οποία αναπήδησαν στη διαδρομή, επιτρέποντας στον εγκέφαλο ή στις κάμερες μας να κατασκευάσουν μια εικόνα.
Ωστόσο, ένα πράγμα που τα φωτόνια δεν μπορούν να κάνουν είναι να αποτυπώσουν εικόνες από άλλα φωτόνια. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με κανέναν τρόπο. Τώρα, όμως, οι ερευνητές του University of Birmingham δημιούργησαν το αμέσως επόμενο καλύτερο πράγμα: μια μαθηματικά ακριβή απεικόνιση του σχήματος ενός φωτονίου.
«Η απεικόνιση είναι μια ακριβής προσομοίωση ενός φωτονίου όπως εκπέμπεται από ένα άτομο που κάθεται στην επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Benjamin Yuen. «Το σχήμα του φωτονίου επηρεάζεται βαθιά από το νανοσωματίδιο, καθιστώντας χιλιάδες φορές πιο πιθανή την εκπομπή του φωτονίου και επιτρέποντάς του ακόμη και να επαναπορροφηθεί από το άτομο πολλές φορές».
Το «σχήμα» ενός φωτονίου είναι δύσκολο να προσδιοριστεί και δεν σημαίνει ακριβώς το ίδιο πράγμα με την απεικόνιση του σχήματος ενός κανονικού αντικειμένου. Αντίθετα, πρόκειται για μια κατανομή έντασης, ένας χάρτης του πού θα μπορούσατε να περιμένετε να βρείτε το φωτόνιο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Οι φωτεινότερες περιοχές υποδηλώνουν μεγαλύτερη πιθανότητα να εμφανιστεί εκεί το φωτόνιο όταν μετρηθεί η θέση του.
Η απεικόνιση είναι ακριβώς αυτή η κατανομή ενός φωτονίου λίγο μετά την εκπομπή του. Επειδή πρόκειται για κβαντικό σωματίδιο, δεν μπορείτε να το μετρήσετε με τη μία, καθώς η μέτρηση το καταστρέφει. Ωστόσο, αν επαναλαμβάνατε τη μέτρηση του σημείου όπου ανιχνεύθηκε ένα φωτόνιο πολλές φορές, θα βλέπατε ακριβώς αυτή την κατανομή. Επιπλέον, και ένα από τα πιο παράξενα πράγματα σχετικά με την κβαντομηχανική, είναι ότι πριν το φωτόνιο ανιχνευθεί, όλες οι λεπτομερείς πληροφορίες αυτής της κατανομής έντασης υπάρχουν ήδη μέσω αυτού που ονομάζουμε «κυματοσυνάρτηση», την οποία ακριβώς μπορέσαμε να υπολογίσουμε για πρώτη φορά.
Γιατί, λοιπόν, με τη μακρά ιστορία της μελέτης των φωτονίων, οι επιστήμονες δεν ήταν σε θέση να δημιουργήσουν αυτού του είδους την εικόνα στο παρελθόν; Αποδεικνύεται ότι ο Yuen και η συν-συγγραφέας Άντζελα Δημητριάδου δεν προσπαθούσαν ενεργά, αλλά προέκυψε ως παράπλευρο προϊόν μιας γενικότερης μελέτης.
Ξεκινήσαμε να απαντήσουμε σε κάτι αρκετά θεμελιώδες: Πώς εκπέμπονται πραγματικά τα φωτόνια από τα άτομα και τα μόρια και τι επίδραση έχει το περιβάλλον τους σε αυτό; Αυτό είναι κάτι που οι Φυσικοί έχουν καταφέρει να μοντελοποιήσουν με ακρίβεια μόνο σε ένα τέλειο κενό που περιέχει μόνο ένα άτομο/μόριο, αλλά τίποτα άλλο γύρω του. Ωστόσο, είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό ότι το περιβάλλον μπορεί να έχει βαθιά επίδραση σε αυτή τη διαδικασία, ωστόσο καμία θεωρία δεν έχει καταφέρει να αποτυπώσει πλήρως όλες τις λεπτομέρειές της.
Για να το πετύχει αυτό, η ομάδα ξεκίνησε αναπτύσσοντας μια εκδοχή της κβαντικής θεωρίας πεδίου που περιλάμβανε ένα νανοσωματίδιο πυριτίου που αλληλεπιδρά με φωτόνια. Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν ουσιαστικά άπειρες δυνατότητες για το πώς το νανοσωματίδιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα συνεχές φάσμα φωτός. Ευτυχώς, η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να το περιορίσει αυτό.
Χρησιμοποιήσαμε έναν κλάδο των Μαθηματικών που ονομάζεται Μιγαδική Ανάλυση για να μετατρέψουμε το πρόβλημα από ένα συνεχές σύνολο που βασίζεται στους πραγματικούς αριθμούς, σε ένα διακριτό σύνολο που βασίζεται σε ορισμένους ξεχωριστούς μιγαδικούς αριθμούς. Ενώ μπορεί να φαίνεται «πολύπλοκο», αυτό απλοποίησε το πρόβλημα μαζικά, επιτρέποντάς μας να το αναπαραστήσουμε ακριβώς ως αλληλεπίδραση με μόλις μερικές εκατοντάδες «πολύπλοκους» φωτεινούς τρόπους. Εντελώς αναπάντεχα, όταν το κάναμε αυτό, μια σειρά από λεπτομέρειες άρχισαν απλώς να πέφτουν από τη θεωρία μας, όπως το πώς ακριβώς διαδίδεται το φως και πώς ακριβώς αναμένεται να είναι το σχήμα της κατανομής της έντασης των φωτονίων.
Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία αυτή βελτιώνει δραστικά την κατανόησή μας για το πώς αλληλεπιδρούν το φως και η ύλη, κάτι που θα μπορούσε να έχει εφαρμογές στα ηλιακά panels, στην κβαντική πληροφορική και στους αισθητήρες.
[via]
