Изчисленията, целящи да установят взаимодействията между светлината и материала, който я произвежда, могат да опишат (съвсем случайно) очертанията на фотона, разкривайки формата му в безпрецедентни подробности.
Нов модел, разработен от физици в Обединеното кралство, предоставя пълно квантово описание на точката, в която светлината и материята се свързват, като същевременно показва как това взаимодействие продължава да влияе на частицата, докато тя се движи през плетеница от полета.
„Нашите изчисления ни позволиха да превърнем привидно нерешим проблем в нещо, което може да бъде изчислено“, казва физикът теоретик Бен Юен от Университета в Бирмингам.
„И, почти като страничен продукт на модела, успяхме да създадем това изображение на фотон, нещо, което не е виждано досега във физиката.“
Със свойствата си както на вълна, която се раздира в неосезаем океан, така и на безмасов обект, който се движи на границата на самата скорост, двойствената природа на фотона предизвиква въображението ни.
Съществуването му е загадка, нещо, което може да бъде представено с невероятна точност от математиката на вероятностите, но няма удобна аналогия, която да използваме, за да си представим как би могло да изглежда това в нашия свят на форми, размери и цветове.
И все пак някои от качествата на светлината могат да се превърнат в нещо познато. В нейното квантово кодиране - известно като вълнова функция - се съдържат правила, които диктуват границите на влиянието на фотона върху околната среда.
Това, което усещаме като бледо сияние на неонова улична табела или слънчеви лъчи в летен ден, представлява обмен между атоми на езика на електромагнетизма. Когато електроните се преместват в орбитите си, те се разпръскват в съответните единици енергия, известни като фотони.
Усъвършенстването на технологичните ни възможности за ограничаване и насочване на този електромагнитен „разговор“ разкрива невероятни сложности при преминаването на светлината през материалната Вселена.
Това пътуване вече не може да се разбира като еднопосочно преминаване на енергия от точката на излъчване до местоназначението; по-скоро квантовата му природа запазва един вид памет, която продължава да се връща по пътя му в това, което физиците наричат немарковска динамика.
„Геометрията и оптичните свойства на околната среда имат дълбоки последици за начина, по който се излъчват фотоните – те определят формата на фотона, цвета му и дори вероятността да съществува“, казва теоретичният физик от Бирмингамския университет Анджела Деметриаду.
За да разберат по-добре тези квантови правила на немарковското пътуване на фотона през времето и материята, Юен и Деметриаду разработват уникален модел, който описва вида на отворената среда, с която светлината би се сблъскала веднага след излъчването си от атомите в силициева наночастица.
Графика, показваща очаквания интензитет на полето за различни радиуси на взаимодействие на фотоните. Източник: Yuen et al., Physical Review Letters, 2024
Тяхната нова теория не само улавя разпространението на светлината от началната ѝ точка с безпрецедентна точност, но и намира определение в „шума“ на взаимодействията, което точно описва градиентите на интензивността на полето, заобикалящо квантите светлина.
Тъй като желанието ни за по-малки, по-бързи, по-прецизни и по-чувствителни технологии се увеличава, нуждата ни от точно предсказване на квантовите следи, които фотоните оставят след себе си, ще става все по-важна.
„Ето защо ние поставяме основите на възможността да проектираме взаимодействията между светлината и материята за бъдещи приложения, като например по-добри сензори, подобрени фотоволтаични енергийни клетки или квантови изчисления“, казва Юен.
Изследването е публикувано във Physical Review Letters.
Източник: Science Alert
