Учёные впервые визуализировали форму одиночного фотона

Физики из Бирмингемского университета создали первую в истории точную визуализацию формы фотона — частицы света, которая невозможна для фотографирования. Исследование, опубликованное в New Atlas, раскрывает квантовую природу света и открывает новые возможности для изучения взаимодействия света и материи.

Как выглядит фотон?

Фотон — это квант света, который позволяет нам видеть. Он переносит информацию об источнике света или объекте, от которого отражён, что делает возможным создание изображения нашими глазами или камерами. Однако фотоны не взаимодействуют друг с другом, что исключает возможность их прямой фиксации. Вместо этого учёные рассчитали волновую функцию фотона, которая описывает вероятность его нахождения в пространстве и времени. Полученное изображение — это карта интенсивности света, где яркие области указывают на более высокую вероятность появления фотона. "Эта визуализация показывает распределение интенсивности фотона сразу после его испускания," — объясняет соавтор исследования Бен Юэн.

Роль наночастиц

Исследование моделировало фотон, испущенный атомом, расположенным на поверхности наночастицы. Среда, в которой находится атом, значительно влияет на процесс испускания: наночастица увеличивает вероятность испускания фотона в тысячи раз и даже позволяет фотону многократно поглощаться атомом и снова излучаться. "Форма фотона — это не традиционная физическая форма, а скорее распределение интенсивности, показывающее, где с наибольшей вероятностью можно обнаружить фотон," — добавляет Юэн.

Как удалось создать изображение

Визуализация стала побочным продуктом более фундаментального исследования, целью которого было изучение влияния окружающей среды на процесс излучения фотонов атомами и молекулами. До этого момента учёные могли точно моделировать этот процесс только в идеальном вакууме, без влияния внешних факторов. Однако давно известно, что среда, например наночастицы, может существенно изменять свойства света. Для моделирования учёные разработали версию квантовой теории поля, учитывающую взаимодействие фотонов с кремниевой наночастицей. Задача была невероятно сложной, так как спектр взаимодействий света бесконечен. С помощью методов комплексного анализа команда смогла сократить бесконечное множество возможных взаимодействий до управляемого набора.

Новые перспективы

Эта работа существенно углубляет понимание взаимодействия света и материи. Возможные применения охватывают такие области, как:

• Солнечные батареи, где управление светом может повысить их эффективность;

• Квантовые вычисления, где фотоны используются для передачи информации;

• Датчики, работающие на основе точного измерения света.

"Мы не ставили целью визуализировать фотон, но детали просто начали складываться сами собой, когда мы разрабатывали теорию," — подытожил Юэн. Эти открытия открывают новые горизонты для фундаментальной науки и прикладных технологий. ________________________________________

• Стартап по натрий-железным батареям готов бросить вызов литий-ионным батареям для долгосрочного хранения энергии
• ABB разрабатывает высокоманевренный и высокоэффективный морской винт
• Изменения симметрии в крошечных кристаллах под воздействием света позволяют исследователям создавать материалы с заданными свойствами
• Солнечная пленка, которую можно наклеить где угодно для генерации энергии
• Двойно магичное ядро свинца-208 удивляет неожиданными свойствами формы
• Как мозг строит сложные карты для навигации и запоминания мира
• Пластиковый лед
• Исследования показывают, что захват углерода дороже, чем переход на возобновляемые источники энергии