اولین تصویر از شکل یک فوتون واحد ایجاد شد

اولین تجسم مستقیم از شکل یک فوتون ایجاد شده است.

 عکاسی از این ذرات نور غیرممکن است، اما فیزیکدانان دانشگاه بیرمنگام اکنون عملکرد موجی آنها را برای ایجاد تصویری دقیق از فوتون در حین گسیل و انتشارش محاسبه کرده‌اند.

فوتون‌ها چیزی هستند که به ما امکان دیدن را هم با چشم و هم با دوربین‌ها می‌دهند. هنگامی که آنها به شبکیه چشم یا حسگرهای دوربین ما می‌رسند، اطلاعاتی در مورد منبعی که آنها را ساطع کرده است یا اشیایی که در راه به سمت آنها برگشته‌اند را با خود حمل می‌کنند و به مغز یا دوربین‌های ما اجازه می‌دهند تصویری از آنها بسازند.

با این حال، یکی از چیزهایی که فوتون‌ها هرگز نمی‌توانند از آن تصویر بسازند، فوتون‌های دیگر است. این به این دلیل است که آنها به هیچ وجه با یکدیگر تعامل ندارند. اما اکنون فیزیکدانان دانشگاه بیرمنگام بهترین تجسم دقیق ریاضی از شکل یک فوتون را ایجاد کرده‌اند.

بن یوئن(Ben Yuen) یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: این تجسم، شبیه‌سازی دقیق یک فوتون است که توسط اتمی که روی سطح یک نانوذره نشسته، گسیل می‌شود. شکل فوتون عمیقاً تحت تأثیر نانوذره است و احتمال گسیل شدن فوتون را هزاران بار بیشتر می‌کند و حتی اجازه می‌دهد چندین بار توسط اتم بازجذب شود.

تجسم یک فوتون کار دشواری است و مانند تجسم و ایجاد یک تصویر از یک جسم عادی نیست. در عوض، اساساً نقشه‌ای از جایی است که می‌توان انتظار داشت فوتون را در یک نقطه خاص از زمان پیدا کرد. مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده شانس بیشتری برای ظاهر شدن فوتون در آنجا هنگام اندازه‌گیری مکان آن است.

یوئن می‌گوید: «تجسم» دقیقاً همان توزیع فوتون است که مدت کوتاهی پس از گسیل شدن آن منتشر شده است. از آنجایی که فوتون یک ذره کوانتومی است، نمی‌توانید آن را در یک حرکت اندازه‌گیری کنید، زیرا اندازه‌گیری، آن را از بین می‌برد. با این حال اگر بخواهید اندازه‌گیری محل شناسایی فوتون را بارها تکرار کنید، دقیقاً این توزیع را خواهید دید.

وی افزود: علاوه بر این، یکی از عجیب‌ترین چیزها در مورد مکانیک کوانتومی این است که قبل از شناسایی فوتون، تمام اطلاعات جزئی این توزیع شدت از طریق آنچه ما آن را «تابع موج» می‌نامیم، وجود دارد که دقیقاً همان چیزی است که ما برای اولین بار قادر به محاسبه و انجام آن شدیم.

بنابراین چرا با وجود سابقه طولانی مطالعه فوتون‌ها، دانشمندان تاکنون نتوانسته بودند این نوع تصویر را ایجاد کنند؟ به نظر می‌رسد یوئن و یکی دیگر از پژوهشگران این مطالعه به نام آنجلا دمتریادو(Angela Demetriadou) نیز چنین قصدی نداشته‌اند و این امر به عنوان نوعی محصول جانبی در یک مطالعه کلی‌تر محقق شده است.

یوئن می‌گوید: ما تصمیم گرفتیم به چیزی کاملاً اساسی پاسخ دهیم. اینکه فوتون‌ها واقعاً چگونه از اتم‌ها و مولکول‌ها ساطع می‌شوند و محیط آنها چه تأثیری بر این موضوع دارد؟ این چیزی است که فیزیکدانان فقط قادر به مدل‌سازی دقیق در خلاء کامل هستند که فقط شامل یک اتم یا مولکول است. با این حال، مدت‌هاست که می‌دانستیم محیط می‌تواند تأثیر عمیقی بر این فرآیند داشته باشد، اما هیچ نظریه‌ای نتوانسته است تمام جزئیات آن را به طور کامل نشان دهد.

این تیم برای دستیابی به این هدف، با توسعه نسخه‌ای از نظریه میدان کوانتومی که شامل یک نانوذره سیلیکونی در تعامل با فوتون‌ها بود، شروع کرد. مشکل این بود که اساساً امکانات نامحدودی برای چگونگی تعامل نانوذره با طیف پیوسته نور وجود دارد، اما خوشبختانه این تیم راهی برای کنترل کردن آن پیدا کرد.

یوئن گفت: ما از شاخه‌ای از ریاضیات به نام «تحلیل مختلط» استفاده کردیم تا مسئله را از یک مجموعه پیوسته بر اساس اعداد واقعی به مجموعه‌ای گسسته بر اساس برخی اعداد مختلط مجزا تبدیل کنیم. اگرچه ممکن است «پیچیده» به نظر برسد، اما این کار، مسئله را بسیار ساده کرد و به ما این امکان را داد که دقیقاً آن را به عنوان یک تعامل تنها با چند صد حالت نوری پیچیده نشان دهیم.

این کار به تیم اجازه داد تا موفق به تصویرسازی از فوتون شوند.

یوئن می‌گوید: به شکل شگفت‌انگیزی زمانی که ما این کار را انجام دادیم، تعدادی از جزئیات از نظریه در دنیای واقعی مشاهده شدند، از جمله اینکه نور دقیقاً چگونه منتشر می‌شود و اینکه دقیقاً انتظار می‌رود که شکل توزیع شدت فوتون چگونه باشد.

محققان می‌گویند که این مطالعه به طرز چشمگیری درک ما از نحوه تعامل نور و ماده را بهبود می‌بخشد که می‌تواند در سلول‌های خورشیدی، محاسبات کوانتومی و حسگرها کاربرد داشته باشد.

این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.