پژوهشگران اولین تصویر از یک فوتون را منتشر کردند

فوتون ها چیزی هستند که به ما اجازه دیدن را می دهند، چه با چشم و چه با دوربین. هنگامی که آنها به شبکیه چشم یا حسگرهای دوربین ما می رسند، اطلاعاتی را در مورد منبع تشعشع خود یا اشیایی که در طول مسیر برخورد کرده و منعکس می کنند، حمل می کنند و این اطلاعات به مغز یا دوربین ما اجازه می دهد تصویری ایجاد کند.

اما چیزی که فوتون ها هرگز نمی توانند تصویر کنند، فوتون های دیگر است. دلیل آن این است که آنها هیچ تعاملی با یکدیگر ندارند. در عوض، فیزیکدانان بیرمنگام یک نمایش ریاضی دقیق از شکل فوتون ایجاد کرده اند. بن یوئن یکی از نویسندگان مقاله است یک اطلس جدید او گفت: «این تصویر شبیه‌سازی دقیقی از یک فوتون است که توسط یک اتم روی سطح یک نانوذره گسیل می‌شود. شکل فوتون عمیقاً تحت تأثیر نانوذره قرار می‌گیرد و احتمال انتشار فوتون را هزاران برابر بیشتر می‌کند و حتی به فوتون اجازه می‌دهد چندین بار به اتم بازگردد.»

شکل فوتون یک مسئله پیچیده است که نمی توان به راحتی شکل یک جسم معمولی را تعیین کرد. به عبارت دیگر، وقتی از شکل یک فوتون صحبت می کنیم، منظور چیزی غیر از نمایش شکل یک جسم معمولی است.

در عوض، شکل فوتون یک توزیع شدت است، نقشه ای از جایی که ممکن است فوتون در یک لحظه مشخص باشد. مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده احتمال بالاتر دیدن یک فوتون در یک نقطه خاص هنگام اندازه‌گیری موقعیت آن است.

یوئن می گوید: «تصویر دقیقاً توزیع فوتون است که مدت کوتاهی پس از گسیلش اتفاق می افتد. “از آنجایی که فوتون یک ذره کوانتومی است، نمی توان آن را به یکباره اندازه گیری کرد، زیرا اندازه گیری آن را از بین می برد، زمانی که شما سعی می کنید خواص یک ذره کوانتومی (مانند فوتون) را اندازه گیری کنید، وضعیت آن ذره تغییر می کند. در نتیجه، اطلاعات اصلی از دست می‌رود.

با این حال، اگر اندازه گیری محل شناسایی فوتون را بارها و بارها تکرار کنید، دقیقاً همان توزیع را خواهید دید، یوئن ادامه می دهد. علاوه بر این، یکی از عجیب‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی این است که حتی قبل از شناسایی فوتون، تمام اطلاعات دقیق در مورد این توزیع شدت از طریق آنچه ما «تابع موج» می‌نامیم در دسترس است. این دقیقاً همان چیزی است که گروه یوئن توانست برای اولین بار محاسبه کند.

یوئن و همکارش آنجلا دمتریادو عمداً سعی نکردند تصویری از یک فوتون ایجاد کنند، اما به طور تصادفی در نتیجه یک مطالعه کلی تر به وجود آمدند. یوئن می گوید ما قصد داریم به این سوال پاسخ دهیم که فوتون ها چگونه از اتم ها و مولکول ها ساطع می شوند و محیط آنها چه تاثیری بر این فرآیند دارد؟ این چیزی است که فیزیکدانان فقط می توانند به درستی در خلاء کامل، جایی که تنها یک اتم یا مولکول وجود دارد، مدل سازی کنند. با این حال، مدت هاست که مشخص شده است که محیط می تواند تأثیر عمیقی بر این فرآیند داشته باشد، اما هیچ نظریه ای نتوانسته جزئیات آن را به طور کامل توضیح دهد.

برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی ابتدا نسخه‌ای از نظریه میدان کوانتومی را توسعه دادند که شامل یک نانوذره سیلیکونی در تعامل با فوتون‌ها بود.

مشکل این است که اساساً احتمالات نامحدودی برای نحوه تعامل یک نانوذره با طیف پیوسته نور وجود دارد، اما تیم تحقیقاتی راهی برای محدود کردن این احتمالات پیدا کردند. یوئن توضیح می‌دهد: «ما از شاخه‌ای از ریاضیات به نام تحلیل مختلط استفاده کردیم تا مسئله را از یک مجموعه نامتناهی (بر اساس اعداد واقعی) به مجموعه‌ای محدودتر (بر اساس اعداد مختلط) تبدیل کنیم. این رویکرد مشکل را ساده کرد و به ما این امکان را داد که آن را به عنوان یک برهمکنش تنها با چند صد حالت نوری مخلوط نشان دهیم. زمانی که ما این کار را انجام دادیم، جزئیاتی مانند نحوه انتشار نور و شکل توزیع شدت فوتون از نظریه ما بیرون آمد.

به گفته محققان، مطالعه جدید آنها درک ما از نحوه تعامل نور و ماده را بهبود می بخشد و ممکن است در سلول های خورشیدی، محاسبات کوانتومی و حسگرها کاربرد داشته باشد.

تحقیق در مجله نامه معاینه فیزیکی منتشر شده است.