Физики впервые визуализировали форму фотона — и это может быть революцией в понимании света

Исследование открывает новые возможности для квантовой оптики и технологий.

Фотон, частица света, которая позволяет нам видеть окружающий мир, до сих пор оставался невидимым для науки в буквальном смысле слова. Однако исследователи из Бирмингемского университета сумели математически рассчитать его волновую функцию и визуализировать распределение интенсивности сразу после его излучения. Это впервые позволило представить, как «выглядит» фотон в момент его существования.

«Это изображение отражает вероятность обнаружения фотона в конкретной точке пространства после его излучения атомом, находящимся на поверхности наночастицы», — объясняет соавтор исследования Бен Юэн. Наночастица не только влияет на форму фотона, но и делает его излучение в тысячи раз более вероятным. Более того, она позволяет атому многократно поглощать тот же самый фотон, что ранее считалось невозможным.

Стоит отметить, что визуализация фотона — это не изображение объекта, а скорее карта его вероятностного распределения. Квантовая природа фотонов не позволяет измерить их напрямую, так как процесс измерения разрушает частицу. Однако многократные повторные измерения дают статистическую картину, которая точно соответствует рассчитанному распределению интенсивности.

Интересно, что исследователи не ставили перед собой цель создать изображение фотона. Первоначальной задачей было изучение того, как окружающая среда влияет на процесс излучения света атомами и молекулами. Ранее эти процессы можно было точно моделировать только в идеальных условиях вакуума. Бирмингемские физики применили новый подход, включающий взаимодействие фотонов с наночастицами.

Для расчётов команда использовала методы комплексного анализа, чтобы преобразовать бесконечные спектры взаимодействий в ограниченный набор «комплексных» световых мод. Это значительно упростило математические модели. При разработке этой теории детали распределения фотонов начали «выпадать» из расчётов автоматически, позволяя визуализировать их форму.

Результаты исследования открывают новые горизонты в науке и технологиях. Более глубокое понимание взаимодействия света и материи может быть полезно для разработки сверхчувствительных квантовых сенсоров, эффективных солнечных батарей и новых систем квантовых вычислений.

Обложка: Benjamin Yuen