צורת האור: מדענים חושפים תמונה של פוטון בודד בפעם הראשונה אי פעם

חוקרים בברמינגהם יצרו את התמונה הראשונה של פוטון, חלקיק אור בצורת לימון הנפלט מפני השטח של ננו-חלקיק. התיאוריה שאיפשרה את התמונה הזו, דיווחה ב-14 בנובמבר בכתב העת מכתבי סקירה פיזית, מאפשרת למדענים לחשב ולהבין תכונות שונות של חלקיקים קוונטיים אלה - מה שיכול לפתוח מגוון של אפשרויות חדשות בתחומים כגון, מכשירים פוטו-וולטאיים ופוטוסינתזה מלאכותית.

ההתנהגות הקוונטית של האור מבוססת היטב, עם למעלה מ-100 שנות ניסויים שמראים זאת. אבל ההבנה הבסיסית שלנו לגבי הטבע הקוונטי הזה נמצאת הרבה יותר מאחור, ויש לנו רק תפיסה מוגבלת של האופן שבו פוטונים נוצרים ונפלטים, או של איך הם משתנים במרחב ובזמן.

"אנחנו רוצים להיות מסוגלים להבין את התהליכים האלה כדי למנף את הצד הקוונטי הזה", המחבר הראשוןבן יואן, עמית מחקר באוניברסיטת ברמינגהם בבריטניה, סיפר ל- Live Science בדואר אלקטרוני. "איך באמת מתקשרים אור וחומר ברמה הזו?"

עם זאת, עצם טבעו של האור אומר שלתשובה לשאלה זו יש אפשרויות כמעט בלתי מוגבלות. "אנחנו יכולים לחשוב על פוטון שהוא עירור בסיסי של שדה אלקטרומגנטי", הסביר יואן. שדות אלה הם רצף של תדרים שונים, שכל אחד מהם עלול להתרגש. "אתה יכול לפצל רצף לחלקים קטנים יותר ובין כל שתי נקודות, עדיין יש אינסוף נקודות אפשריות שאתה יכול לבחור", הוסיף יואן.

התוצאה היא שתכונות הפוטון תלויות במידה רבה בתכונות הסביבה שלו, מה שמוביל למתמטיקה מורכבת להפליא. "במבט ראשון, נצטרך לרשום ולפתור מספר אינסופי של משוואות כדי להגיע לתשובה", אמר יואן.

קָשׁוּר:

כדי להתמודד עם המשימה הבלתי אפשרית הזו, יואן ומחבר שותף אנג'לה דמטריאדו, פרופסור לננופוטוניקה תיאורטית באוניברסיטת ברמינגהם, השתמש בטריק מתמטי חכם כדי לפשט באופן דרמטי את המשוואות.

הצגת מספרים דמיוניים - כפולות של השורש הריבועי הבלתי אפשרי של -1 - היא כלי רב עוצמה בעת טיפול במשוואות מורכבות. מניפולציה של רכיבים דמיוניים אלה מאפשרת לרבים מהמונחים הקשים במשוואה לבטל זה את זה. בתנאי שכל המספרים הדמיוניים יומרו בחזרה למספרים ממשיים לפני שמגיעים לפתרון, זה משאיר חישוב הרבה יותר ניתן לניהול.

"הפכנו את הרצף הזה של תדרים אמיתיים לקבוצה נפרדת של תדרים מורכבים", הסביר יואן. "על ידי כך, אנו מפשטים את המשוואות מרצף לקבוצה נפרדת שאנו יכולים להתמודד איתה. אנו יכולים להכניס אותן למחשב ולפתור אותן".

הצוות השתמש בחישובים החדשים הללו כדי לדגמן את המאפיינים של פוטון הנפלט מפני השטח של ננו-חלקיק, תוך תיאור האינטראקציות עם הפולט וכיצד הפוטון התפשט הרחק מהמקור. מתוצאות אלו, הצוות יצר את התמונה הראשונה של פוטון, חלקיק בצורת לימון שלא נראה כמותו בפיסיקה.

עם זאת, יואן הדגיש שזוהי רק הצורה של פוטון שנוצר בתנאים אלה. "הצורה משתנה לחלוטין עם הסביבה", אמר. "זו באמת הנקודה של הננופוטוניקה, שעל ידי עיצוב הסביבה, אנחנו באמת יכולים לעצב את הפוטון עצמו."

החישובים של הצוות מספקים תובנה בסיסית לגבי תכונותיו של החלקיק הקוונטי הזה - ידע שיואן מאמין שיפתח קווי מחקר חדשים לפיזיקאים, כימאים וביולוגים כאחד.

"יכולנו לחשוב על מכשירים אופטו-אלקטרוניים, פוטוכימיה, קצירת אור ופוטו-וולטאים, הבנת פוטוסינתזה, חיישנים ביולוגיים ותקשורת קוונטית", אמר יואן. "ויהיו שורה שלמה של יישומים לא ידועים. על ידי ביצוע סוג זה של תיאוריה בסיסית באמת, אתה פותח אפשרויות חדשות בתחומים אחרים."