Ερευνητές στο Μπέρμιγχαμ δημιούργησαν την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου, ενός σωματιδίου φωτός σε σχήμα λεμονιού που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου ανοίγοντας νέους δρόμους στη Φυσική.

Η θεωρία που κατέστησε δυνατή αυτή την εικόνα δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Physical Review Letters» επιτρέπει στους επιστήμονες να υπολογίσουν και να κατανοήσουν διάφορες ιδιότητες αυτών των κβαντικών σωματιδίων που θα μπορούσαν να ανοίξουν μια σειρά από νέες δυνατότητες σε πεδία όπως ο κβαντικός υπολογισμός, οι φωτοβολταϊκές συσκευές και τεχνητή φωτοσύνθεση.

Κινέζοι επιστήμονες δημιούργησαν όπλο κατευθυνόμενης ενέργειας σαν το Death Star του Star Wars

Η κβαντική συμπεριφορά του φωτός είναι καλά εδραιωμένη, με πάνω από 100 χρόνια πειραμάτων που δείχνουν ότι μπορεί να υπάρχει τόσο σε κυματική όσο και σε σωματιδιακή μορφή. Αλλά η θεμελιώδης κατανόησή μας αυτής της κβαντικής φύσης είναι πολύ πιο πίσω, και έχουμε μόνο περιορισμένη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται και εκπέμπονται τα φωτόνια ή για το πώς αλλάζουν στο χώρο και το χρόνο.

«Θέλουμε να είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε αυτές τις διαδικασίες για να αξιοποιήσουμε αυτή την κβαντική πλευρά. Πώς αλληλεπιδρούν πραγματικά το φως και η ύλη σε αυτό το επίπεδο;» ανέφερε στο Live Science o Μπεν Γιούεν ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμπιγχαμ που πραγματοποίησε το επίτευγμα μαζί με την Άντζελα Δημητριάδου καθηγήτρια θεωρητικής νανοφωτονικής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμπιγχαμ.

Ωστόσο, η ίδια η φύση του φωτός σημαίνει ότι η απάντηση σε αυτό το ερώτημα έχει σχεδόν απεριόριστες δυνατότητες. «Μπορούμε να σκεφτούμε ότι ένα φωτόνιο είναι μια θεμελιώδης διέγερση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Μπορείτε να χωρίσετε ένα συνεχές σε μικρότερα μέρη και μεταξύ δύο οποιονδήποτε σημείων, υπάρχει ακόμα ένας άπειρος αριθμός πιθανών σημείων που μπορείτε να επιλέξετε. Αυτά τα πεδία είναι μια συνέχεια διαφορετικών συχνοτήτων, καθεμία από τις οποίες θα μπορούσε ενδεχομένως να διεγερθεί. Με την πρώτη ματιά, θα έπρεπε να γράψουμε και να λύσουμε έναν άπειρο αριθμό εξισώσεων για να φτάσουμε σε μια απάντηση» εξηγεί ο Γιούεν.

Το αποτέλεσμα είναι ότι οι ιδιότητες ενός φωτονίου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις ιδιότητες του περιβάλλοντός του, οδηγώντας σε μερικά απίστευτα πολύπλοκα μαθηματικά.

Το κόλπο

Για να αντιμετωπίσουν αυτό το φαινομενικά αδύνατο έργο οι δύο ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα έξυπνο μαθηματικό κόλπο για να απλοποιήσουν δραματικά τις εξισώσεις.

Η εισαγωγή φανταστικών αριθμών, πολλαπλάσια της αδύνατης τετραγωνικής ρίζας του -1, είναι ένα ισχυρό εργαλείο κατά τον χειρισμό μιγαδικών εξισώσεων. Ο χειρισμός αυτών των φανταστικών συνιστωσών επιτρέπει σε πολλούς από τους δύσκολους όρους της εξίσωσης να ακυρώνουν ο ένας τον άλλον. Με την προϋπόθεση ότι όλοι οι φανταστικοί αριθμοί μετατραπούν ξανά σε πραγματικούς αριθμούς πριν φτάσουν στη λύση, αυτό αφήνει έναν πολύ πιο διαχειρίσιμο υπολογισμό.

«Μεταμορφώσαμε αυτό το συνεχές πραγματικών συχνοτήτων σε ένα διακριτό σύνολο πολύπλοκων συχνοτήτων. Κάνοντας αυτό, απλοποιούμε τις εξισώσεις από ένα συνεχές σε ένα διακριτό σύνολο που μπορούμε να χειριστούμε. Μπορούμε να τις βάλουμε σε έναν υπολογιστή και να τις λύσουμε» λέει ο Γιούεν

Οι δύο ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτούς τους νέους υπολογισμούς για να μοντελοποιήσουν τις ιδιότητες ενός φωτονίου που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου, περιγράφοντας τις αλληλεπιδράσεις με τον πομπό και πώς το φωτόνιο διαδόθηκε μακριά από την πηγή. Από αυτά τα αποτελέσματα, η ομάδα δημιούργησε την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου, ενός σωματιδίου σε σχήμα λεμονιού κάτι που δεν έχει επιτευχθεί ποτέ μέχρι σήμερα στην Φυσική.

«Πρέπει να πούμε ότι αυτό είναι το σχήμα ενός φωτονίου που δημιουργείται κάτω από αυτές τις συνθήκες. Το σχήμα αλλάζει εντελώς με το περιβάλλον. Αυτό είναι πραγματικά το νόημα της νανοφωτονικής, ότι διαμορφώνοντας το περιβάλλον, μπορούμε πραγματικά να διαμορφώσουμε το ίδιο το φωτόνιο» καταλήγει ο Γιούεν.