Το σχήμα του φωτός: Παρουσιάστηκε για πρώτη φορά η εικόνα ενός φωτονίου

Την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου παρουσίασαν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ: Πρόκειται για ένα σωματίδιο φωτός σε σχήμα λεμονιού, που εκπέμφθηκε από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου.

Όπως αναφέρεται σε δημοσίευμα του Live Science, η θεωρία που κατέστησε δυνατή αυτή την εικόνα παρουσιάστηκε στις 14 Νοεμβρίου στο Physical Review Letters και επιτρέπει στους επιστήμονες να υπολογίζουν και να κατανοούν διάφορες ιδιότητες των σωματιδίων αυτών, κάτι που με τη σειρά του ανοίγει νέους δρόμους σε τομείς όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, τα φωτοβολταϊκά και η φωτοσύνθεση.

H κβαντική συμπεριφορά του φωτός είναι γνωστή, καθώς πάνω από 100 χρόνια πειραμάτων έχουν δείξει ότι μπορεί να υπάρχει τόσο σε μορφή κύματος όσο και σε μορφή σωματιδίου. Ωστόσο υστερούμε ακόμα ως προς τη θεμελιώδης κατανόηση της κβαντικής του φύσης, καθώς δεν γνωρίζουμε πολλά για το πώς δημιουργούνται και εκπέμπονται τα φωτόνια και το πώς μεταβάλλονται στο πέρασμα του χρόνου, αλλά και στον χώρο. «Θέλουμε να είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε αυτές τις ιδιότητες για να αξιοποιήσουμε αυτή την κβαντική πλευρά» είπε στο Live Scienceο Μπεν Γιούεν, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ. «Πώς αλληλεπιδρούν στα αλήθεια το φως και ύλη σε αυτό το επίπεδο;» πρόσθεσε.

Ωστόσο η ίδια η φύση του φωτός σημαίνει πως η απάντηση αυτή έχει σχεδόν απεριόριστες δυνατότητες. «Μπορούμε να φανταστούμε ένα φωτόνιο ως θεμελιώδη διέγερση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου» ανέφερε ο Γιούεν. Αυτοί οι τομείς είναι ένα συνεχές διαφορετικών συχνοτήτων, η καθεμία εκ των οποίων θα μπορούσε εν δυνάμει να διεγερθεί. «Μπορείς να διασπάσεις ένα συνεχές σε μικρότερα τμήματα και ανάμεσα σε οποιαδήποτε δύο σημεία υπάρχει ακόμα ένας άπειρος αριθμός πιθανών σημείων που θα μπορούσες να επιλέξεις» συμπλήρωσε.

Ως αποτέλεσμα οι ιδιότητες ενός φωτονίου βασίζονται πολύ στις ιδιότητες του περιβάλλοντός του, οδηγώντας σε εξαιρετικά πολύπλοκες μαθηματικές διαδικασίες. «Με την πρώτη ματιά, θα χρειαζόταν να γράψουμε και να επιλύσουμε έναν απεριόριστο αριθμό εξισώσεων για να καταλήξουμε σε απάντηση» είπε ο Γιούεν. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, ο Γιούεν και η Άντζελα Δημητριάδου, καθηγήτρια θεωρητικής νανοφωτονικής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, χρησιμοποίησαν ένα μαθηματικό «τρικ» για να απλοποιήσουν τις εξισώσεις.

Η χρήση φανταστικών αριθμών είναι αποτελεσματικό εργαλείο στις πολύπλοκες εξισώσεις, καθώς απομακρύνει πολλά από τα πλέον δύσκολα στοιχεία τους. Εφόσον όλοι οι φανταστικοί αριθμοί μετατρέπονται σε πραγματικούς πριν το τέλος, καταλήγουμε σε μια πολύ πιο διαχειρίσιμη εξίσωση.

«Μεταμορφώσαμε αυτό το συνεχές πραγματικών συχνοτήτων σε ένα διακεκριμένο σετ πολύπλοκων συχνοτήτων» εξήγησε ο Γιούεν. «Κάνοντας αυτό, απλοποιούμε τις εξισώσεις από ένα συνεχές σε ένα διακεκριμένο σετ που μπορούμε να διαχειριστούμε. Μπορούμε να τις βάλουμε αυτές σε έναν υπολογιστή και να τις λύσουμε».

Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτούς τους νέους υπολογισμούς για να φτιάξει μοντέλα των ιδιοτήτων ενός φωτονίου που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου, περιγράφοντας τις αλληλεπιδράσεις με τον πομπό και πώς το φωτόνιο απομακρύνθηκε από την πηγή. Με αυτά τα αποτελέσματα, οι ερευνητές ήταν σε θέση να δώσουν την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου- ενός σωματιδίου με μέγεθος λεμονιού που δεν είχε θεαθεί ξανά στη φυσική.

Ο Γιούεν τόνισε ωστόσο ότι αυτό είναι μόνο το σχήμα ενός φωτονίου που παράγεται υπό αυτές τις συνθήκες. «Το σχήμα αλλάζει εντελώς με το περιβάλλον…αυτό είναι στα αλήθεια το νόημα της νανοφωτονικής, το ότι διαμορφώνοντας το περιβάλλον, μπορούμε να αλλάξουμε στα αλήθεια και το ίδιο το φωτόνιο» σημείωσε.