دانشمندان شکل مرموز فوتون را ترسیم کردند، می‌تواند تعامل نور و ماده را باز کند
فوتون‌ها ذرات کوانتومی بدون جرم هستند که نور را تشکیل می‌دهند. آنها با سرعت‌های باور نکردنی حرکت کرده و با اشکال مختلف ماده تعامل دارند. انتشار فوتون‌ها از اتم‌ها و مولکول‌ها می‌تواند منجر به تعداد نامحدودی از تعاملات و احتمالات شود.
یک مطالعه جدید از محققان دانشگاه بیرمنگام مدلی ارائه می‌دهد که تعامل بین فوتون‌ها و انتشار دهنده آنها را توضیح می‌دهد.
با استفاده از محاسبات از مدل خود، نویسندگان مطالعه همچنین یک نمایش تصویری از یک فوتون ایجاد کردند.
«محاسبات ما به ما این امکان را داد تا مسئله‌ای که به نظر حل نشدنی می‌آید را به چیزی تبدیل کنیم که قابل محاسبه است. و تقریباً به عنوان محصول جانبی مدل، ما توانستیم این تصویر از فوتون را تولید کنیم، چیزی که قبل از این در فیزیک دیده نشده بود»، دکتر بنجامین یون، نویسنده اصلی مطالعه و استاد در دانشگاه بریمنگام، گفت.
اهمیت فوتون‌ها در دنیای کوانتومی
در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین اولین بار پیشنهاد کرد که نور همچنین از ذرات تشکیل شده است، و در سال ۱۹۲۶، شیمی‌دان آمریکایی گیلبرت نیوتن لوئیس اصطلاح «فوتون» را برای این ذرات ابداع کرد.
حتی پس از ۱۰۰ سال، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که یک فوتون واقعاً چگونه به نظر می‌رسد و با عناصر مختلف محیط ما چگونه تعامل دارد. این به این دلیل است که این ذرات با سرعت نور حرکت می‌کنند و موقعیت یا مسیری ثابت ندارند.
در حالی که دانشمندان تکنیک‌هایی برای مشاهده و دستکاری فوتون‌ها توسعه داده‌اند، مانند آزمایش‌هایی که شامل آشکارسازهای نوری یا استفاده از تجهیزات پیشرفته مانند دوربین‌های با سرعت بالا و شتاب‌دهنده‌های ذرات هستند – این روش‌ها فقط اثرات فوتون‌ها را اندازه‌گیری یا تجسم می‌کنند و نه خود فوتون‌ها را.
با این حال، درک هندسه، شکل، و تعاملات فوتون‌ها با ماده برای کسب بینش عمیق‌تر در علم که بر جهان کوانتومی حکمفرمایی می‌کند، بسیار مهم است. برای مثال، دوگانگی موج-ذره فوتون نحوه تعامل آن با ماده را تعیین می‌کند و امکان‌پذیری جذب، انتشار و پراکندگی را فراهم می‌کند.
به همین ترتیب، ایده‌ای درباره شکل آنها می‌تواند دقت فناوری‌های کوانتومی مانند فوتونیک کوانتومی، ارتباطات و رمزنگاری را افزایش دهد.
مدل جدید چه وعده‌ای دارد؟
مدل ریاضی تیم دانشگاه بریمنگام از گسترش پزودومود، تکنیکی در اپتیک کوانتومی استفاده می‌کند که مطالعه چگونگی تعامل نور با ماده در محیط‌های پیچیده مانند بلورهای فوتونی را ساده می‌کند.
به جای مدل‌سازی جزئیات تمام محیط، این روش از چند مود ساده‌شده (پزودومود) استفاده می‌کند تا اثرات اصلی محیط بر سیستم را نشان دهد. این تحلیل را آسان‌تر می‌کند و همچنان تعاملات مهم را به تصویر می‌کشد.
مدل به طور موفقیت‌آمیزی تعامل بین فوتون‌ها و انتشار دهنده‌های کوانتومی مختلف (QEها)، مانند اتم‌ها، نقاط کوانتومی (ذرات در مقیاس نانومتر که مانند اتم‌های مصنوعی عمل می‌کنند)، و مولکول‌های فلورسنت را توضیح می‌دهد.
اما اینجا متوقف نمی‌شود؛ همچنین نور بر انرژی‌های میدان نزدیک و دور ناشی از چنین تعاملی می‌افشاند. «این کار به ما کمک می‌کند تا فهم خود را از تبادل انرژی بین نور و ماده افزایش دهیم، و ثانیاً بهتر بفهمیم نور چگونه به محیط‌های نزدیک و دور خود انتشعاع می‌کند»، یون گفت.
«بسیاری از این اطلاعات قبلاً به عنوان 'نویز' فکر می‌شد - اما درون آن اطلاعات بسیار زیادی وجود دارد که اکنون می‌توانیم آن را درک کرده و از آن استفاده کنیم. با درک این موضوع، ما بنیادهایی را برای توانایی مهندسی تعاملات نور-ماده برای کاربردهای آینده، مانند حسگرهای بهتر، سلول‌های انرژی فوتوولتائیک بهبود یافته یا رایانش کوانتومی، پایه‌ریزی می‌کنیم»، او نتیجه‌گیری کرد.
این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
