Ερευνητές του Πανεπιστημίου Μπέρμιγχαμ δημιούργησαν την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου, ενός σωματιδίου φωτός σε σχήμα λεμονιού που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου.
Η πρώτη θεωρητική πρόβλεψη για την ύπαρξή του, έγινε από τον Πλανκ στις 14 Δεκεμβρίου του 1900, όταν διατύπωσε επίσημα την υπόθεση ότι η φωτεινή ενέργεια που ακτινοβολείται από ένα θερμαινόμενο σώμα (ακτινοβολία μέλανος σώματος) δεν εκπέμπεται κατά συνεχή ροή, αλλά σε μορφή αυτοτελών ποσοτήτων (ε) που είναι ανάλογες προς τη συχνότητα (ν) του εκπεμπόμενου φωτός. Έτσι, με τη θεωρητική αυτή ερμηνεία κατάφερε να συμφωνήσει με τα πειραματικά δεδομένα στο υπεριώδες φως.
Η θεωρία όμως αυτή δεν απέκτησε κάποια επεξηγηματική σημασία, παρά μόνο πέντε χρόνια μετά, όταν το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, επανεξετάζοντας την «υπόθεση Πλανκ» και επεκτείνοντας αυτή και στη διαδικασία της απορρόφησης, ερμηνεύοντας έτσι και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρότεινε την ύπαρξη «κβάντων φωτός», δηλαδή φωτονίων.
Η θεωρία που κατέστησε δυνατή αυτή την εικόνα, η οποία παρουσιάστηκε στις 14/10 στο περιοδικό Physical Review Letters, δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να υπολογίσουν και να κατανοήσουν διάφορες ιδιότητες αυτών των κβαντικών σωματιδίων - κάτι που θα μπορούσε να ανοίξει μια σειρά νέων δυνατοτήτων σε τομείς όπως η κβαντική πληροφορική, οι φωτοβολταϊκές συσκευές και η τεχνητή φωτοσύνθεση.
Η κβαντική συμπεριφορά του φωτός είναι καλά τεκμηριωμένη, με πάνω από 100 χρόνια πειραμάτων που δείχνουν ότι μπορεί να υπάρχει τόσο σε μορφή κύματος όσο και σε μορφή σωματιδίου.
Αλλά η θεμελιώδης κατανόηση αυτής της κβαντικής φύσης είναι πολύ πιο πίσω και έχουμε μόνο μια περιορισμένη αντίληψη του πώς δημιουργούνται και εκπέμπονται τα φωτόνια ή του πώς αλλάζουν μέσα στο χώρο και το χρόνο.
«Θέλουμε να είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε αυτές τις διαδικασίες για να αξιοποιήσουμε αυτή την κβαντική πλευρά», δήλωσε στο Live Science ο συγγραφέας Ben Yuen, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ στο Ηνωμένο Βασίλειο. «Πώς αλληλεπιδρούν πραγματικά το φως και η ύλη σε αυτό το επίπεδο;»
Ωστόσο, η ίδια η φύση του φωτός σημαίνει ότι η απάντηση σε αυτό το ερώτημα έχει σχεδόν απεριόριστες δυνατότητες. «Μπορούμε να σκεφτούμε ότι ένα φωτόνιο είναι μια θεμελιώδης διέγερση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου», εξήγησε ο Yuen.
Αυτά τα πεδία είναι ένα συνεχές διαφορετικών συχνοτήτων, κάθε μία από τις οποίες θα μπορούσε δυνητικά να διεγερθεί. «Μπορείς να χωρίσεις ένα συνεχές σε μικρότερα μέρη και μεταξύ δύο οποιωνδήποτε σημείων, εξακολουθεί να υπάρχει ένας άπειρος αριθμός πιθανών σημείων που θα μπορούσες να επιλέξεις», πρόσθεσε ο Yuen.
Το αποτέλεσμα είναι ότι οι ιδιότητες ενός φωτονίου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις ιδιότητες του περιβάλλοντός του, οδηγώντας σε μερικά απίστευτα πολύπλοκα μαθηματικά. «Με την πρώτη ματιά, θα έπρεπε να γράψουμε και να λύσουμε έναν άπειρο αριθμό εξισώσεων για να φτάσουμε σε μια απάντηση», δήλωσε ο Yuen.
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το φαινομενικά αδύνατο έργο, ο Yuen και η συν-συγγραφέας Άντζελα Δημητριάδου, καθηγήτρια θεωρητικής νανοφωτονικής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, χρησιμοποίησαν ένα έξυπνο μαθηματικό τέχνασμα για να απλοποιήσουν δραματικά τις εξισώσεις.
Η εισαγωγή φανταστικών αριθμών – πολλαπλάσια της αδύνατης τετραγωνικής ρίζας του -1 – είναι ένα ισχυρό εργαλείο κατά τον χειρισμό πολύπλοκων εξισώσεων. Ο χειρισμός αυτών των φανταστικών συνιστωσών επιτρέπει σε πολλούς από τους δύσκολους όρους της εξίσωσης να αλληλοεξουδετερωθούν. Υπό την προϋπόθεση ότι όλοι οι φανταστικοί αριθμοί μετατρέπονται ξανά σε πραγματικούς αριθμούς πριν φτάσουμε στη λύση, αυτό αφήνει έναν πολύ πιο εύχρηστο υπολογισμό.
«Μετατρέψαμε αυτό το συνεχές πραγματικών συχνοτήτων σε ένα διακριτό σύνολο σύνθετων συχνοτήτων», εξήγησε ο Yuen. «Με αυτόν τον τρόπο, απλοποιούμε τις εξισώσεις από ένα συνεχές σε ένα διακριτό σύνολο που μπορούμε να χειριστούμε. Μπορούμε να τις βάλουμε σε έναν υπολογιστή και να τις λύσουμε».
Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτούς τους νέους υπολογισμούς για να μοντελοποιήσει τις ιδιότητες ενός φωτονίου που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου, περιγράφοντας τις αλληλεπιδράσεις με τον πομπό και τον τρόπο διάδοσης του φωτονίου μακριά από την πηγή.
Από αυτά τα αποτελέσματα, η ομάδα δημιούργησε την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου, ενός σωματιδίου σε σχήμα λεμονιού που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ πριν στη φυσική.
Ο Yuen τόνισε, ωστόσο, ότι αυτό είναι μόνο το σχήμα ενός φωτονίου που παράγεται υπό αυτές τις συνθήκες. «Το σχήμα αλλάζει εντελώς ανάλογα με το περιβάλλον», είπε. «Αυτό είναι πραγματικά το νόημα της νανοφωτονικής, ότι διαμορφώνοντας το περιβάλλον, μπορούμε πραγματικά να διαμορφώσουμε το ίδιο το φωτόνιο».
Οι υπολογισμοί της ομάδας παρέχουν μια θεμελιώδη εικόνα των ιδιοτήτων αυτού του κβαντικού σωματιδίου - γνώση που ο Yuen πιστεύει ότι θα ανοίξει νέους ερευνητικούς δρόμους για τους φυσικούς, τους χημικούς και τους βιολόγους.
«Θα μπορούσαμε να σκεφτούμε τις οπτοηλεκτρονικές συσκευές, τη φωτοχημεία, τη συλλογή φωτός και τα φωτοβολταϊκά, την κατανόηση της φωτοσύνθεσης, τους βιοαισθητήρες και την κβαντική επικοινωνία», δήλωσε ο Yuen. «Και θα υπάρξει ένα πλήθος άγνωστων εφαρμογών. Κάνοντας αυτού του είδους την πραγματικά θεμελιώδη θεωρία, ξεκλειδώνεις νέες δυνατότητες σε άλλους τομείς».