Ученые впервые показали форму отдельного фотона

Исследователи из Бирмингемского университета (Великобритания) разработали компьютерную модель, позволяющую понять, как взаимодействуют свет и материя. Задача моделирования оказалась исключительно трудна, но научной группе удалось разработать стратегию, упрощающую проблему. При этом они также смогли создать нечто необычное: изображение, показывающее точную форму одного фотона.

Фотон — это частица света. Сам свет существуют и как частица, и как волна одновременно. Это открытие дуальности света (корпускулярно-волновой дуализм) стало решением многолетних споров, когда из экспериментов стало очевидно, что свет распространяется как волна, но также может быть описан отдельными пакетами энергии, которые называются квантами света или фотонами.

Взаимодействие между отдельными фотонами и веществом очень важно в квантовой механике. Оно приводит в действие множество различных механизмов — некоторые из них являются основополагающими для многих технологий, с которыми мы взаимодействуем каждый день. Понимание этого взаимодействия было монументальной задачей. Свет, распространяющийся через окружающую среду, имеет безграничные возможности для взаимодействия с ней.

Ученые взяли этот большой ряд возможностей и упростили его, создав дискретный набор. Таким образом, они смогли смоделировать взаимодействие между излучателем и фотоном, а также то, как фотон перемещается в некоторое «дальнее поле». Расчеты также смогли предоставить графическое понимание формы фотона. (Ближнее и дальнее поле — это области электромагнитного поля вокруг объекта, например, передающей антенны, или результат рассеяния излучения от объекта. Неизлучающее поведение ближнего поля доминирует вблизи антенны или рассеивателя, в то время как электромагнитное излучающее поведение дальнего поля преобладает на больших расстояниях).

«Наши вычисления позволили нам преобразовать, казалось бы, неразрешимую задачу в нечто, что можно вычислить. И, почти как побочный продукт модели, мы смогли создать изображение фотона, чего раньше не было в физике», — сказал в своем заявлении первый автор работы Бенджамин Юэн.

Эта теоретическая работа имеет приложения в нескольких областях, от физики до материаловедения. Технологии, требующие взаимодействия света и материи, от телекоммуникаций до медицинских приборов посредством управления химическими реакциями на молекулярном уровне, могут выиграть от знания того, как это происходит.

«Геометрия и оптические свойства окружающей среды оказывают огромное влияние на то, как испускаются фотоны, включая определение формы фотонов, цвета и даже вероятности их существования», — пояснила соавтор работы профессор Анджела Деметриаду.

«Эта работа помогает нам расширить наше понимание обмена энергией между светом и материей, а также, лучше понять, как свет излучается в свое близкое и отдаленное окружение. Раньше большая часть этой информации считалась просто «шумом», но теперь в ней так много данных, которые мы можем осмыслить и использовать. Понимая это, мы закладываем основы для возможности проектирования взаимодействий света и материи для будущих приложений, таких как более совершенные датчики, улучшенные фотоэлектрические элементы или квантовые вычисления», — заключил Бенджамин Юэн.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Ранее физики воссоздали знаменитый эксперимент с двумя щелями, который показал, что свет ведет себя как частицы и волна не только в пространстве, но и во времени. Эксперимент был основан на материалах, которые могут изменять свои оптические свойства за доли секунды, которые можно использовать в новых технологиях или для изучения фундаментальных вопросов физики.