Използвайки новаторска нова техника, изследователите разкриха първото детайлно изображение на фотон - единична частица светлина - правено някога.
Новаторска нова техника разкри първото детайлно изображение на отделен фотон, правено някога. (Изображение: Бен Юен и Анджела Деметриаду)
Изследователи в Бирмингам създадоха първото изображение на фотон, частица светлина с форма на лимон, излъчвана от повърхността на наночастица. Теорията, която направи това изображение възможно, съобщено на 14 ноември в списанието Physical Review Letters, позволява на учените да изчислят и разберат различните свойства на тези квантови частици - което може да отвори набор от нови възможности в области като квантово изчисление, фотоволтаични устройства и изкуствена фотосинтеза.
Квантовото поведение на светлината е добре установено, като повече от 100 години експерименти показват, че тя може да съществува както под формата на вълна, така и във форма на частица. Но фундаменталното ни разбиране за тази квантова природа е много по-назад и имаме само ограничена представа за това как се създават и излъчват фотоните или как се променят в пространството и времето.
„Искаме да можем да разберем тези процеси, за да използваме тази квантова страна“, каза първият автор Бен Юен, научен сътрудник в университета в Бирмингам в Обединеното кралство, пред Live Science в имейл. „Как наистина си взаимодействат светлината и материята на това ниво?“
Самото естество на светлината обаче означава, че отговорът на този въпрос има почти неограничени възможности. „Можем да мислим, че фотонът е фундаментално възбуждане на електромагнитно поле“, обясни Юен. Тези полета са континуум от различни честоти, всяка от които потенциално може да се възбуди. „Можете да разделите континуум на по-малки части и между всеки две точки все още ще има безкраен брой възможни точки, които можете да изберете“, добави Юен.
Резултатът е, че свойствата на фотона са силно зависими от свойствата на неговата среда, което води до невероятно сложна математика. „На пръв поглед ще трябва да напишем и решим безкраен брой уравнения, за да стигнем до отговор“, каза Юен.
За да се справят с тази привидно невъзможна задача, Юен и съавторът Анджела Деметриаду, професор по теоретична нанофотоника в университета в Бирмингам, използваха хитър математически трик, за да опростят драматично уравненията.
Въвеждането на въображаеми числа — кратни на невъзможния квадратен корен от -1 — е мощен инструмент при работа със сложни уравнения. Манипулирането на тези въображаеми компоненти позволява много от трудните членове в уравнението да се компенсират взаимно. При условие, че всички въображаеми числа се преобразуват обратно в реални числа, преди да се стигне до решението, това оставя много по-управляемо изчисление.
„Преобразувахме този континуум от реални честоти в дискретен набор от сложни честоти“, обясни Юен. „Като правим това, ние опростяваме уравненията от континуум в дискретен набор, с който можем да се справим. Можем да ги поставим в компютър и да ги решим.“
Екипът използва тези нови изчисления, за да моделира свойствата на фотон, излъчван от повърхността на наночастица, описвайки взаимодействията с излъчвателя и как фотонът се разпространява далеч от източника. От тези резултати екипът генерира първото изображение на фотон, частица с форма на лимон, невиждана досега във физиката.
Юен обаче подчерта, че това е само формата на фотон, генериран при тези условия. "Формата се променя напълно с околната среда", каза той. „Това наистина е смисълът на нанофотониката, че като оформяме околната среда, ние наистина можем да оформим самия фотон.“
Изчисленията на екипа предоставят фундаментална представа за свойствата на тази квантова частица - знание, което Юен вярва, че ще отвори нови линии на изследване както за физици, химици, така и за биолози.
„Можем да помислим за оптоелектронни устройства, фотохимия, събиране на светлина и фотоволтаици, разбиране на фотосинтезата, биосензори и квантова комуникация“, каза Юен. "И ще има цял набор от неизвестни приложения. Като правите този вид наистина фундаментална теория, вие отключвате нови възможности в други области."
Източник за статията
Изследователи в Бирмингам създадоха първото изображение на фотон, частица светлина с форма на лимон, излъчвана от повърхността на наночастица. Теорията, която направи това изображение възможно, съобщено на 14 ноември в списанието Physical Review Letters, позволява на учените да изчислят и разберат различните свойства на тези квантови частици - което може да отвори набор от нови възможности в области като квантово изчисление, фотоволтаични устройства и изкуствена фотосинтеза.
Квантовото поведение на светлината е добре установено, като повече от 100 години експерименти показват, че тя може да съществува както под формата на вълна, така и във форма на частица. Но фундаменталното ни разбиране за тази квантова природа е много по-назад и имаме само ограничена представа за това как се създават и излъчват фотоните или как се променят в пространството и времето.
„Искаме да можем да разберем тези процеси, за да използваме тази квантова страна“, каза първият автор Бен Юен, научен сътрудник в университета в Бирмингам в Обединеното кралство, пред Live Science в имейл. „Как наистина си взаимодействат светлината и материята на това ниво?“
Самото естество на светлината обаче означава, че отговорът на този въпрос има почти неограничени възможности. „Можем да мислим, че фотонът е фундаментално възбуждане на електромагнитно поле“, обясни Юен. Тези полета са континуум от различни честоти, всяка от които потенциално може да се възбуди. „Можете да разделите континуум на по-малки части и между всеки две точки все още ще има безкраен брой възможни точки, които можете да изберете“, добави Юен.
Резултатът е, че свойствата на фотона са силно зависими от свойствата на неговата среда, което води до невероятно сложна математика. „На пръв поглед ще трябва да напишем и решим безкраен брой уравнения, за да стигнем до отговор“, каза Юен.
За да се справят с тази привидно невъзможна задача, Юен и съавторът Анджела Деметриаду, професор по теоретична нанофотоника в университета в Бирмингам, използваха хитър математически трик, за да опростят драматично уравненията.
Въвеждането на въображаеми числа — кратни на невъзможния квадратен корен от -1 — е мощен инструмент при работа със сложни уравнения. Манипулирането на тези въображаеми компоненти позволява много от трудните членове в уравнението да се компенсират взаимно. При условие, че всички въображаеми числа се преобразуват обратно в реални числа, преди да се стигне до решението, това оставя много по-управляемо изчисление.
„Преобразувахме този континуум от реални честоти в дискретен набор от сложни честоти“, обясни Юен. „Като правим това, ние опростяваме уравненията от континуум в дискретен набор, с който можем да се справим. Можем да ги поставим в компютър и да ги решим.“
Екипът използва тези нови изчисления, за да моделира свойствата на фотон, излъчван от повърхността на наночастица, описвайки взаимодействията с излъчвателя и как фотонът се разпространява далеч от източника. От тези резултати екипът генерира първото изображение на фотон, частица с форма на лимон, невиждана досега във физиката.
Юен обаче подчерта, че това е само формата на фотон, генериран при тези условия. "Формата се променя напълно с околната среда", каза той. „Това наистина е смисълът на нанофотониката, че като оформяме околната среда, ние наистина можем да оформим самия фотон.“
Изчисленията на екипа предоставят фундаментална представа за свойствата на тази квантова частица - знание, което Юен вярва, че ще отвори нови линии на изследване както за физици, химици, така и за биолози.
„Можем да помислим за оптоелектронни устройства, фотохимия, събиране на светлина и фотоволтаици, разбиране на фотосинтезата, биосензори и квантова комуникация“, каза Юен. "И ще има цял набор от неизвестни приложения. Като правите този вид наистина фундаментална теория, вие отключвате нови възможности в други области."
Tags:
Наука