Исследователи из Бирмингемского университета (Великобритания) разработали интригующую компьютерную модель, чтобы понять, как взаимодействуют свет и материя. Задача оказалась невероятно сложной, но команде удалось разработать стратегию упрощения. В процессе они попутно создали нечто удивительное: изображение, представляющее точную форму одиночного фотона.
Фотон — это частица света. Свет (и материя) существует как в виде частицы, так и в виде волны. Открытие этого дуализма стало решением тысячелетних споров, когда экспериментально стало очевидно, что свет распространяется как волна, но также может быть описан дискретными пакетами энергии, которые мы называем фотонами.
Взаимодействие между отдельными фотонами и материей очень важно в квантовой механике. Оно приводит в действие множество различных механизмов – некоторые из них являются основополагающими для многих технологий, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Понимание этого процесса было монументальной задачей. Свет, распространяющийся через окружающую среду, имеет безграничные возможности для взаимодействия.
Команда упростила этот непрерывный спектр возможностей, создав дискретный набор. Таким образом, им удалось смоделировать взаимодействие между излучателем и фотоном, а также то, как фотон распространяется в удаленную «дальнее поле». Расчеты также позволили получить графическое представление о форме фотона.
«Наши расчеты позволили нам преобразовать, казалось бы, неразрешимую проблему в нечто, поддающееся вычислению. И, почти как побочный продукт модели, мы смогли создать это изображение фотона, чего раньше в физике не наблюдалось», – говорится в заявлении первого автора работы доктора Бенджамина Юэна.
Эта теоретическая работа может применяться в различных областях, от физики до материаловедения. Технологии, требующие взаимодействия света и материи, от телекоммуникаций до медицинских устройств и управления химическими реакциями на молекулярном уровне, могут выиграть от понимания того, как это происходит.
«Геометрия и оптические свойства среды оказывают огромное влияние на то, как испускаются фотоны, включая определение формы фотонов, цвета и даже саму вероятность их существования», — пояснила соавтор, профессор Анжела Деметриаду.
«Проделанная работа помогает нам, во-первых, лучше понять энергетический обмен между светом и материей, а во-вторых, лучше понять, как свет излучается в ближнее и дальнее окружение. Большая часть этой информации раньше считалась просто «шумом», но в ней оказалось очень много информации, которую мы теперь можем осмыслить и использовать. Понимая это, мы закладываем основы для проектирования взаимодействия света и материи для будущих применений, таких как улучшенные датчики, более эффективные фотоэлектрические элементы или квантовые вычисления», — заключил доктор Юэн.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Читайте также: Будут ли протоны существовать вечно и почему ученые ищут признаки их распада
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.