מחקר חדש מאוניברסיטת ברמינגהם חוקר את טבעם של פוטונים - חלקיקי אור בודדים - בפירוט חסר תקדים.
בן יואן ואנג'לה דמטריאדו מגדירים את הצורה המדויקת של פוטון בודד. קרדיט תמונה: בן יואן ואנג'לה דמטריאדו.
"לגיאומטריה ולמאפיינים האופטיים של הסביבה יש השלכות עמוקות על האופן שבו פוטונים נפלטים, כולל הגדרת צורת הפוטונים, הצבע ואפילו מידת הסבירות לקיומם", אמרה פרופסור אנג'לה דמטריאדו מאוניברסיטת ברמינגהם.
העבודה החדשה של הצוות מראה כיצד פוטונים נפלטים על ידי אטומים או מולקולות ומעוצבים על ידי הסביבה שלהם.
טבעה של אינטראקציה זו מובילה לאינסוף אפשרויות לאור להתקיים ולהתפשט, או לנוע, בסביבתו הסובבת.
עם זאת, האפשרות הבלתי מוגבלת הזו הופכת את האינטראקציות לקשות במיוחד למודל, והיא אתגר שפיזיקאי הקוונטים עמלו להתמודד איתו כבר כמה עשורים.
על ידי קיבוץ האפשרויות הללו לקבוצות נפרדות, הצליחו המחברים לייצר מודל שמתאר לא רק את האינטראקציות בין הפוטון והפולט, אלא גם כיצד האנרגיה מאותה אינטראקציה עוברת אל השדה הרחוק הרחוק.
במקביל, הם יכלו להשתמש בחישובים שלהם כדי לייצר הדמיה של הפוטון עצמו.
"החישובים שלנו אפשרו לנו להמיר בעיה שנראית בלתי פתירה למשהו שניתן לחשב", אמר ד"ר בנג'מין יואן מאוניברסיטת ברמינגהם.
"וכמעט כתוצר דו-תוצר של המודל, הצלחנו לייצר את התמונה הזו של פוטון, משהו שלא נראה בעבר בפיזיקה."
העבודה חשובה כי היא פותחת אפיקים חדשים של מחקר לפיסיקאים קוונטים ומדע החומר.
על ידי היכולת להגדיר במדויק כיצד פוטון מקיים אינטראקציה עם חומר ועם אלמנטים אחרים בסביבתו, מדענים יכולים לתכנן טכנולוגיות ננו-פוטוניות חדשות שיכולות לשנות את הדרך שבה אנו מתקשרים בצורה מאובטחת, מזהים פתוגנים או שולטים בתגובות כימיות ברמה מולקולרית, למשל.
"עבודה זו עוזרת לנו להגביר את הבנתנו את חילופי האנרגיה בין האור לחומר, ושנית להבין טוב יותר כיצד האור קורן אל סביבתו הקרובה והרחוקה", אמר ד"ר יואן.
"הרבה מהמידע הזה נחשב בעבר רק לרעש - אבל יש בו כל כך הרבה מידע שעכשיו אנחנו יכולים להבין ולהשתמש בו."
"על ידי הבנתנו, אנו שמים את היסודות ליכולת להנדס אינטראקציות בין אור לחומר עבור יישומים עתידיים, כגון חיישנים טובים יותר, תאי אנרגיה פוטו-וולטאיים משופרים או מחשוב קוונטי."
העֲבוֹדָהפורסם בכתב העתמכתבי סקירה פיזית.
_____
בן יואן ואנג'לה דמטריאדו. 2024. אלקטרודינמיקה קוונטית מדויקת של סביבות פוטוניות קרינתיות.פיזי. הכומר לט133, 203604; doi: 10.1103/PhysRevLett.133.203604
