Po raz pierwszy powstało zdjęcie fotonu. Jak wygląda kwant światła?
Naukowcy po raz pierwszy uchwycili kształt pojedynczej cząstki światła. Badania pozwalają lepiej zrozumieć, jak fotony – kwanty promieniowania elektromagnetycznego – oddziałują z materią.
Spis treści:
Czym jest światło? To pytanie przez bardzo długi czas zaprzątało naukowców. Istniały bowiem dwie koncepcje wyjaśniające naturę światła. Pierwsza zakładała, że składa się ono z cząstek. Druga mówiła natomiast, że światło jest falą.
Wraz z rozwojem nauki przewagę zyskiwała to pierwsza, to druga teoria. Jednak dopiero na początku XX wieku uczeni wpadli na salomonowe, a przy okazji właściwe rozwiązanie. Przyczynił się do tego między innymi Albert Einstein. Dzisiaj uznaje się, że światło ma naturę korpuskularno-falową. W pewnych okolicznościach zachowuje się jak cząstka, w innych zaś jak fala. Albo – w innym ujęciu – jednocześnie jest i cząstką, i falą.
Czy to oznacza, że cząstkę światła można zobaczyć? Od niedawna – tak. Naukowcom udało się właśnie uzyskać obraz kwantu światła, czyli fotonu.
Jak wygląda foton?
Jak widać na zdjęciu ilustrującym ten artykuł, foton wygląda jak nieco rozmazana cytrynka, zawieszona w niebieskawej przestrzeni. Taki obraz uzyskali badacze z Uniwersytetu Birmingham, którzy opracowali nowatorską technikę pozwalającą im uchwycić foton. Opisali ją w pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”.
Punktem wyjścia była próba odpowiedzi na pytanie, jak fotony oddziałują z materią. W jaki sposób powstają i czym wówczas tak naprawdę są? Naukowcy określili je jako wzbudzenie pól elektromagnetycznych, ściśle zależne od charakterystyk środowiska. – Geometria i właściwości optyczne otoczenia mają głębokie konsekwencje dla tego, jak fotony są emitowane, definiują ich kształt, kolor, a także prawdopodobieństwo, że będą istnieć – mówi prof. Angela Demetriadou, współautorka badań.
Skomplikowana matematyka i model pokazujący foton
Naukowcy wpierw zaczęli od matematyki. Wymyślili, jak skomplikowane równania opisujące pola elektromagnetyczne przekształcić w taki sposób, by mogły zostać rozwiązane przez komputer. W ten sposób powstał model, który opisuje interakcje między fotonem i emiterem oraz energię tych interakcji.
– Nasze obliczenia pozwoliły przekształcić coś, co wyglądało na nierozwiązywalny problem, w coś, co dało się policzyć. Ponadto, niejako jako produkt uboczny modelu, byliśmy w stanie uzyskać obraz fotonu. Czyli coś, czego jeszcze nigdy nie widziano w fizyce – powiedział dr Benjamin Yuen, pierwszy autor pracy.
Wszystkie oblicza fotonu
Uzyskanie obrazu fotonu ma duże znaczenie dla naukowców. – Praca ta pomaga nam, po pierwsze, lepiej zrozumieć wymianę energii między światłem a materią. A po drugie, analizować, jak światło promieniuje do swojego bliskiego i dalekiego otoczenia. Wiele z tych informacji było wcześniej uważane po prostu za „szum”. Jednak jest w nich wiele danych, które teraz możemy wykorzystać – mówi Benjamin Yuen.
Naukowiec podkreśla, że uzyskany obraz fotonu nie jest uniwersalny. Kształt cytrynki uzyskał proton wyemitowany z powierzchni nanocząstki w ściśle określonych warunkach. Gdyby modelować foton w innym otoczeniu, wynik byłby zupełnie inny. Ma to znaczenie dla nanofotoniki, nauki zajmującej się zachowaniem światła w nanoskali.
Zdaniem Yuena badania nad fotonami są ważne także dla chemików czy biologów. – Stworzyliśmy podstawy, które pozwolą nam projektować interakcje światło-materia dla przyszłych zastosowań. Takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub komputery kwantowe – uważa naukowiec.
Źródło: phys.org, Live Science, Physical Review Letters
Nasza autorka
Magdalena Salik
Dziennikarka i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com