محققان در بیرمنگام اولین تصویر از یک فوتون، ذرهای نوری به شکل لیمو که از سطح یک نانوذره ساطع میشود، را ایجاد کردهاند. نظریهای که این تصویر را ممکن ساخت، که در ۱۴ نوامبر در مجله Physical Review Letters گزارش شد، به دانشمندان امکان میدهد تا خواص مختلف این ذرات کوانتومی را محاسبه و درک کنند – که میتواند طیف وسیعی از امکانات جدید را در زمینههایی مانند محاسبات کوانتومی، دستگاههای فتوولتائیک و فتوسنتز مصنوعی باز کند.
رفتار کوانتومی نور به خوبی تثبیت شده است، و بیش از ۱۰۰ سال آزمایش نشان داده است که نور میتواند هم به شکل موج و هم به شکل ذره وجود داشته باشد. اما درک بنیادی ما از این ماهیت کوانتومی بسیار عقبتر است، و ما تنها درک محدودی از چگونگی ایجاد و ساطع شدن فوتونها، یا چگونگی تغییر آنها در فضا و زمان داریم.
بن یون، نویسنده اول مقاله و محقق دانشگاه بیرمنگام در بریتانیا، به لایو ساینس در ایمیلی گفت: “ما میخواهیم بتوانیم این فرآیندها را درک کنیم تا از آن جنبه کوانتومی بهرهبرداری کنیم. چگونه نور و ماده واقعاً در این سطح با هم تعامل میکنند؟”
با این حال، ماهیت نور به این معنی است که پاسخ به این سوال تقریباً امکانات نامحدودی دارد. یون توضیح داد: “ما میتوانیم یک فوتون را بهعنوان یک برانگیختگی بنیادی یک میدان الکترومغناطیسی در نظر بگیریم.” این میدانها یک پیوستار از فرکانسهای مختلف هستند که هر کدام از آنها میتوانند به طور بالقوه برانگیخته شوند. یون افزود: “شما میتوانید یک پیوستار را به قسمتهای کوچکتر تقسیم کنید و بین هر دو نقطه، تعداد بینهایتی از نقاط ممکن وجود دارد که میتوانید انتخاب کنید.”
نتیجه این است که خواص یک فوتون به شدت به خواص محیط آن وابسته است، که منجر به محاسبات بسیار پیچیده میشود. یون گفت: “در نگاه اول، ما باید تعداد بینهایت معادله را بنویسیم و حل کنیم تا به یک پاسخ برسیم.”
برای مقابله با این کار به ظاهر غیرممکن، یون و همکارش آنجلا دمتریادو، استاد نانوفوتونیک نظری در دانشگاه بیرمنگام، از یک ترفند ریاضی هوشمندانه برای سادهسازی چشمگیر معادلات استفاده کردند.
معرفی اعداد موهومی – مضربهای ریشه دوم منفی یک – یک ابزار قدرتمند در برخورد با معادلات پیچیده است. دستکاری این مؤلفههای موهومی به بسیاری از عبارات دشوار در معادله اجازه میدهد تا یکدیگر را خنثی کنند. با فرض اینکه تمام اعداد موهومی قبل از رسیدن به جواب به اعداد حقیقی تبدیل شوند، این کار باعث میشود محاسبات بسیار سادهتر شود.
یوئن توضیح داد: “ما آن پیوستار فرکانسهای حقیقی را به یک مجموعه گسسته از فرکانسهای مختلط تبدیل کردیم. با انجام این کار، معادلات را از یک پیوستار به یک مجموعه گسسته که میتوانیم با آن کار کنیم، ساده میکنیم. میتوانیم اینها را وارد کامپیوتر کرده و آنها را حل کنیم.”
این تیم از این محاسبات جدید برای مدلسازی خواص یک فوتون ساطع شده از سطح یک نانوذره استفاده کرد و برهمکنشها با ساطعکننده و نحوه انتشار فوتون از منبع را توصیف کرد. از این نتایج، تیم اولین تصویر یک فوتون را تولید کرد، ذرهای لیمویی شکل که قبلاً در فیزیک دیده نشده بود.
با این حال، یوئن تأکید کرد که این تنها شکل یک فوتون است که در این شرایط تولید میشود. او گفت: “شکل با محیط کاملاً تغییر میکند. این واقعاً نقطه اصلی نانوفوتونیک است که با شکلدهی به محیط، میتوانیم خود فوتون را شکل دهیم.”
محاسبات تیم بینش بنیادی در مورد خواص این ذره کوانتومی ارائه میدهد – دانشی که یوئن معتقد است زمینههای تحقیقاتی جدیدی را برای فیزیکدانان، شیمیدانان و زیستشناسان به یک اندازه باز خواهد کرد.
یوئن گفت: “میتوانیم در مورد دستگاههای اپتو الکترونیک، فوتوشیمی، برداشت نور و فتوولتائیک، درک فتوسنتز، حسگرهای زیستی و ارتباطات کوانتومی فکر کنیم. و یک میزبان کامل از کاربردهای ناشناخته وجود خواهد داشت. با انجام این نوع نظریه واقعاً بنیادی، امکانات جدیدی را در زمینههای دیگر باز میکنید.”
منبع: livescience