O teorie uimitoare a dezvăluit accidental forma unui foton, cu o precizie nemaivăzută

Calculele menite să analizeze interacțiunile dintre lumină și materia care o emite ar putea, accidental, să dezvăluie forma unui foton, oferind o perspectivă fără precedent asupra acestei particule fundamentale.

Un nou model dezvoltat de fizicieni din Marea Britanie reușește să descrie cu precizie cuantică punctul de interacțiune dintre lumină și materie, capturând modul în care această interacțiune continuă să influențeze fotonul pe măsură ce acesta se deplasează printr-un labirint de câmpuri.

Forma unui foton, dezvăluită în mod accidental

„Calculele noastre au transformat o problemă aparent de nerezolvat în ceva care poate fi calculat. Și, aproape ca un produs secundar al modelului, am reușit să obținem o imagine a unui foton – ceva ce nu a mai fost văzut până acum în fizică.” explică Ben Yuen, fizician teoretician la Universitatea din Birmingham.

Fotonul este un paradox al naturii: se comportă atât ca o undă care se propagă printr-un ocean invizibil, cât și ca o particulă lipsită de masă care călătorește la viteza luminii. Această dualitate îl transformă într-un concept provocator, greu de imaginat într-o lume definită de forme, dimensiuni și culori. Deși matematica cuantică descrie fotonul cu o precizie uimitoare, este dificil să îi atribuim o analogie intuitivă.^[sursa]

Totuși, unele trăsături ale luminii pot fi traduse în imagini mai familiare. În codarea sa cuantică – funcția de undă – fotonul respectă reguli stricte care limitează influența sa asupra mediului înconjurător.

Ceea ce vedem ca strălucirea neonului sau razele de soare reprezintă schimburi de energie între atomi, mediate de limbajul electromagnetismului. Pe măsură ce electronii își schimbă orbitele, aceștia emit fotoni – unități discrete de energie.

Avansurile tehnologice recente, care ne permit să controlăm mai bine această „conversație” electromagnetică, au dezvăluit o complexitate remarcabilă în felul în care lumina călătorește prin Universul material. Această călătorie nu mai poate fi înțeleasă ca o simplă transmitere unidirecțională a energiei de la sursă la destinație. În schimb, natura cuantică a luminii păstrează o memorie a interacțiunilor sale, influențând traseul fotonului printr-un fenomen cunoscut drept dinamică non-Markoviană.^[sursa]

„Geometria și proprietățile optice ale mediului au un impact profund asupra modului în care sunt emiși fotonii – de la forma și culoarea lor până la probabilitatea ca aceștia să existe”, a spus Angela Demetriadou, fizician teoretician la Universitatea din Birmingham.

Pentru a înțelege mai bine aceste reguli ale călătoriei cuantice non-Markoviene, Yuen și Demetriadou au dezvoltat un model inovator. Acesta descrie interacțiunea dintre lumină și materia dintr-un mediu deschis, imediat după ce fotonii sunt emiși de atomii unei nanoparticule de siliciu.

Modelul lor nu doar că surprinde cu o precizie fără precedent propagarea luminii de la punctul de origine, dar oferă și o descriere exactă a variațiilor de intensitate ale câmpurilor din jurul fotonilor. Această reușită deschide calea pentru tehnologii mai avansate, în care înțelegerea detaliată a „amprentei” cuantice lăsate de fotoni devine esențială.

„Această descoperire pune bazele pentru ingineria interacțiunilor lumină-materie, ceea ce ar putea duce la senzori mai sensibili, celule fotovoltaice mai eficiente sau progrese în calculul cuantic.”, a explicat Yuen.