Теория моделирует взаимодействие частиц света и материи на квантовом уровне.
Физики из Университета Бирмингема впервые определили и визуализировали точную форму отдельного фотона. Это достижение стало возможным благодаря созданию компьютерной модели, которая позволяет изучать взаимодействие света с материей на квантовом уровне.
Ученые изучили природу фотонов с беспрецедентной степенью детализации, чтобы показать, как они испускаются атомами или молекулами и как их характеристики изменяются под воздействием окружающей среды. Эти взаимодействия создают практически бесконечные возможности для существования и распространения света, а также для его перемещения через различные среды.
Исследователи преобразовали бесконечное множество возможных состояний фотона в конечный набор вариантов, что позволило провести точные расчеты. В результате была не только смоделирована динамика взаимодействия фотона с излучателем и его распространение в дальнем поле, но и получено первое в истории изображение формы одиночного фотона.
Форма одиночного фотона. Изображение: Benjamin Yuen, University of Birmingham
Ученые разработали математический подход, который позволил упростить чрезвычайно сложную задачу моделирования квантовых взаимодействий до вычислимого уровня. Как отмечает соавтор исследования Бенджамин Юэн, визуализация формы фотона стала неожиданным «побочным продуктом» этой работы.
Исследователи считают, что понимание точной геометрии фотонов и их взаимодействия с окружающей средой может привести к прорывам в различных технологических областях: от квантовых вычислений и безопасных коммуникаций до разработки более эффективных солнечных элементов и высокоточных датчиков.
Эта работа помогает нам расширить наше понимание обмена энергией между светом и материей, а во-вторых, лучше понять, как свет излучается в свое близкое и отдаленное окружение. Раньше большая часть этой информации считалась просто «шумом», но теперь в ней так много информации, которую мы можем осмыслить и использовать.
Бенджамин Юэн, соавтор исследования из Школы физики и астрономии Университета Бирмингема
