Форма фотона согласно расчетам исследователей © Dr Benjamin Yuen
Ученые из Великобритании распределили фотоны и их источники по отдельным категориям и на основе этих данных построили модель взаимодействия частиц, а также передачи энергии фотона в область, где свет покидает источник. С помощью этой модели команда впервые визуализировала «форму» одиночного фотона и то, как окружающая среда влияет на его морфологию. В будущем открытие позволит разработать новые нанофотонные технологии. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Свет — это поток мельчайших частиц, фотонов. Они участвуют во множестве процессов — от передачи данных через оптические волокна до фотосинтеза в растениях. Однако изучение их поведения крайне сложно: фотон настолько мал, что невозможно понять, как он выглядит и взаимодействует с материей. Квантовые физики десятилетиями пытаются смоделировать взаимодействие фотонов с веществом. Проблема в том, что процесс зависят от множества факторов — от геометрии среды до характеристик излучателя. Все это создает практически бесконечное количество возможных вариантов, что затрудняет расчеты.
Британские ученые решили смоделировать модель взаимодействия фотонов и их источников: атомов или молекул. Вместо того, чтобы анализировать весь поток данных, исследователи сгруппировали взаимодействия в отдельные категории. Это позволило упростить вычисления. С помощью вторичного квантования физики преобразовали данные о возможных состояниях фотона в четкий набор параметров. Ученые описали не только взаимодействие фотона с веществом, но и передачу энергии в область, где свет покидает источник и распространяется в окружающую среду.
Так исследователи создали первую в мире визуализацию «формы» одиночного фотона. Они выяснили, что характеристики фотона зависят от окружающей среды. Например, геометрия излучающего устройства или оптические свойства среды могут влиять на вероятность испускания фотонов.
«Эта работа помогает нам лучше понять энергетический обмен между светом и материей, а также лучше понять, как свет излучается в близкие и отдаленные области. Большая часть этих данных ранее считалась просто "шумом", но в ней содержится так много информации, что теперь мы можем ее осмыслить и использовать. Понимая это, мы закладываем основы для разработки взаимодействия света и материи для будущих приложений, таких как усовершенствованные датчики, фотоэлектрические элементы питания или квантовые вычисления», — добавил Бенджамин Юэн, ведущий автор исследования из Бирмингемского университета, Великобритания.
Теперь, когда ученые точнее описали, как фотон взаимодействует с материей, они смогут разрабатывать новые нанофотонные технологии, которые ускорят коммуникацию, а также повысят точность обнаружение патогенов и помогут контролировать химические реакции на молекулярном уровне.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.