Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ έγραψαν ιστορία, αφού κατόρθωσαν να επιτύχουν την πρώτη άμεση απεικόνιση του σχήματος ενός φωτονίου.

Το επίτευγμα είναι σπουδαίο διότι τα φωτόνια είναι αδύνατο να φωτογραφηθούν. Ωστόσο οι επιστήμονες υπολόγισαν την κυματική τους λειτουργία και κατάφεραν να παράγουν μια ακριβή εικόνα ενός φωτονίου καθώς εκπέμπεται.

Τα φωτόνια είναι τα σωματίδια που μας επιτρέπουν να βλέπουμε, τόσο με τα μάτια μας όσο και με τις κάμερες. Όταν φτάνουν στον αμφιβληστροειδή ή τους αισθητήρες της κάμερας μας, φέρουν μαζί τους πληροφορίες σχετικά με την πηγή που τα εξέπεμψε ή αντικείμενα που έχουν «μεσολαβήσει» στην εικόνα, επιτρέποντας στον εγκέφαλο ή τις κάμερές μας να κατασκευάσουν μια εικόνα.

Ωστόσο τα φωτόνια δεν μπορούν να μεταφέρουν την πληροφορία στον εγκέφαλό μας από άλλα φωτόνια. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με κανέναν τρόπο.

«Η οπτικοποίηση είναι μια ακριβής προσομοίωση ενός φωτονίου καθώς εκπέμπεται από ένα άτομο που βρίσκεται στην επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου», δήλωσε ο Μπεν Γιουέν από τους συγγραφείς του New Atlas. «Το σχήμα του φωτονίου επηρεάζεται βαθιά από το νανοσωματίδιο, καθιστώντας χιλιάδες φορές πιο πιθανό το φωτόνιο να εκπέμπεται, και μάλιστα επιτρέποντάς του να επαναρροφηθεί από το άτομο πολλές φορές».

«Η οπτικοποίηση είναι ακριβώς αυτή η κατανομή ενός φωτονίου λίγο μετά την εκπομπή του», είπε ο Γιουέν. «Επειδή είναι ένα κβαντικό σωματίδιο δεν μπορείτε να το μετρήσετε με μία κίνηση καθώς η μέτρηση το καταστρέφει. Ωστόσο, αν επαναλάβατε τη μέτρηση του σημείου που ανιχνεύτηκε ένα φωτόνιο πολλές φορές, θα βλέπατε ακριβώς αυτή την κατανομή.

«Ξεκινήσαμε να απαντήσουμε σε κάτι πολύ θεμελιώδες: Πώς εκπέμπονται πραγματικά τα φωτόνια από τα άτομα και τα μόρια και τι επίδραση έχει το περιβάλλον τους σε αυτό;» δήλωσε ο Γιουέν. «Αυτό είναι κάτι που οι φυσικοί μπορούν να μοντελοποιήσουν με ακρίβεια μόνο σε ένα τέλειο κενό που περιέχει μόνο ένα άτομο/μόριο, αλλά τίποτα άλλο τριγύρω. Ωστόσο, είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό ότι το περιβάλλον μπορεί να έχει βαθύ αντίκτυπο σε αυτή τη διαδικασία, ωστόσο καμία θεωρία δεν μπόρεσε να συλλάβει πλήρως όλες τις λεπτομέρειες».

Για να το πετύχει αυτό, η ομάδα ξεκίνησε αναπτύσσοντας μια έκδοση της κβαντικής θεωρίας πεδίου που περιελάμβανε ένα νανοσωματίδιο πυριτίου που αλληλεπιδρά με φωτόνια. Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν άπειρες δυνατότητες για το πώς το νανοσωματίδιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα συνεχές φάσμα φωτός. Παρόλα αυτά, η επιστημονική ομάδα βρήκε έναν τρόπο να το περιορίσει.

«Χρησιμοποιήσαμε έναν κλάδο των μαθηματικών που ονομάζεται σύνθετη ανάλυση για να μετατρέψουμε το πρόβλημα από ένα συνεχές σύνολο που βασίζεται στους πραγματικούς αριθμούς, σε ένα διακριτό σύνολο που βασίζεται σε ορισμένους διακριτούς μιγαδικούς αριθμούς», είπε ο Yuen. «Αν και μπορεί να φαίνεται «σύνθετο», αυτό απλοποίησε το πρόβλημα σε μεγάλο βαθμό, επιτρέποντάς μας να το αναπαραστήσουμε ακριβώς ως αλληλεπίδραση με μερικές μόνο εκατοντάδες «σύνθετες» λειτουργίες φωτός.

Σύμφωνα με τους ερευνητές αυτή η εργασία βελτιώνει δραστικά την κατανόησή μας για το πώς αλληλεπιδρούν το φως και η ύλη, κάτι που θα μπορούσε να έχει εφαρμογές σε ηλιακά κύτταρα, κβαντικούς υπολογιστές και αισθητήρες.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.

Δείτε ΦΩΤΟ ΕΔΩ

(Με πληροφορίες από newsbomb. gr / photo: pixabay)