Istraživači u Birmingemu stvorili su prvu sliku fotona, čestične svjetlosti u obliku limuna, emitovane s površine nanočestice. Teorija koja je omogućila ovu sliku, objavljena 14. novembra u časopisu Physical Review Letters, omogućava naučnicima da izračunaju i razumiju različite osobine ovih kvantnih čestica, što bi moglo otvoriti niz novih mogućnosti u oblastima poput kvantnog računarstva, fotonaponskih uređaja i vještačke fotosinteze.

Kvantno ponašanje svjetlosti je dobro poznato, poslije više od 100 godina eksperimenata koji pokazuju da ona može postojati i kao talas i kao čestica. Međutim, naše osnovno razumijevanje ove kvantne prirode je i dalje ograničeno, a znanje o tome kako se fotoni stvaraju, emituju i mijenjaju kroz prostor i vrijeme je još u povoju.

- Želimo da razumijemo ove procese - izjavio je prvi autor Ben Jun, istraživač na Univerzitetu u Birmingemu, u mejlu za Live Science.

- Kako svjetlost i materija zaista međusobno djeluju na ovom nivou?

Sliku fotona možete pogledati ovdje.

Međutim, sama priroda svjetlosti čini odgovor na ovo pitanje gotovo beskonačno složenim.

- Možemo zamisliti foton kao osnovnu ekscitaciju elektromagnetnog polja - objasnio je Jun.

Ta polja su kontinuum različitih frekvencija, od kojih svaka može postati ekscitirana.

- Možete podijeliti kontinuum na manje dijelove, ali između bilo koje dvije tačke postoji beskonačan broj mogućih tačaka koje možete odabrati - dodao je.

Zbog toga svojstva fotona u velikoj mjeri zavise od svojstava njegove okoline, što dovodi do nevjerovatno složenih matematičkih proračuna.

- Na prvi pogled, morali bismo zapisati i riješiti beskonačan broj jednačina da bismo došli do odgovora - rekao je Jun.

Da bi riješili ovaj naizgled nemoguć zadatak, Jun i koautorka prof. Angela Demetriadou, profesorica teorijske nanofotonike na Univerzitetu u Birmingemu, koristili su pametan matematički trik kako bi značajno pojednostavili jednačine.

Uvođenje imaginarnih brojeva moćan je alat za rješavanje složenih jednačina. Manipulacija ovim imaginarnim komponentama omogućava da se mnogi teški članovi jednačina međusobno ponište. Pod uslovom da se svi imaginarni brojevi konvertuju nazad u realne prije dobivanja rješenja, ostaje mnogo jednostavniji proračun.

- Transformisali smo taj kontinuum realnih frekvencija u diskretan skup kompleksnih frekvencija - objasnio je Jun.

- Na taj način pojednostavljujemo jednačine iz kontinuuma u diskretan skup koji možemo obraditi. To možemo unijeti u računar i riješiti.

Tim je koristio ove nove proračune kako bi modelovao svojstva fotona emitovanog s površine nanočestice, opisujući interakcije s emiterom i način na koji se foton širio od izvora. Na osnovu tih rezultata, tim je generisao prvu sliku fotona, čestične svjetlosti u obliku limuna, što do sada nije viđeno u fizici.

Jun je naglasio da je ovo samo oblik fotona generisan pod ovim specifičnim uslovima. - Oblik se potpuno mijenja sa okolinom - rekao je.

- To je zapravo ključ nanofotonike — oblikovanjem okoline, možemo oblikovati i sam foton.

Proračuni tima pružaju osnovni uvid u osobine ove kvantne čestice — znanje za koje Jun vjeruje da će otvoriti nove pravce istraživanja za fizičare, hemičare i biologe.

- Možemo razmišljati o optoelektronskim uređajima, fotohemiji, prikupljanju svjetlosti i fotonaponima, razumijevanju fotosinteze, biosenzorima i kvantnoj komunikaciji - rekao je Jun.

- A bit će i mnoštvo nepoznatih primjena. Ovim fundamentalnim teorijskim istraživanjem otvaraju se nove mogućnosti u drugim oblastima.