Первая в мире фотография фотона

Учёные из Бирмингемского университета совершили прорыв в понимании природы света, создав первое в истории изображение отдельного фотона – элементарной частицы света. Полученное изображение, напоминающее по форме лимон, демонстрирует фотон, испускаемый поверхностью наночастицы.

Теоретическая основа открытия

Эта работа, опубликованная 14 ноября в журнале Physical Review Letters, основывается на новой теоретической модели, которая позволяет не только визуализировать фотоны, но и детально анализировать их квантовые свойства. На протяжении более ста лет экспериментальные данные подтверждали дуализм волна-частица света, описывая его поведение как волны и как потока дискретных частиц – фотонов. Однако наше понимание процесса генерации и распространения фотонов оставалось существенно неполным. Мы знали о квантовых свойствах света, но не имели возможности "заглянуть" в сам процесс его рождения и эволюции в пространстве-времени. Эта неполнота знаний ограничивала прогресс в разработке технологий, основанных на квантовых свойствах света. Как объясняет ведущий автор исследования, Бен Юэн, цель работы – углубить наше понимание взаимодействия света и материи на квантовом уровне, чтобы эффективно использовать эти уникальные свойства.

Загадка генерации фотонов

Ключевой вопрос, на который пытались ответить исследователи, заключается в том, как именно материя генерирует фотоны и какие факторы влияют на их свойства. Фотон, как фундаментальное возбуждение электромагнитного поля, представляет собой квант энергии, связанный с определённой частотой. Электромагнитное поле, в свою очередь, является непрерывным спектром (континуумом) различных частот. Поэтому, казалось бы, число возможных состояний фотона бесконечно. Этот континуум можно разделить на дискретные участки, но между любыми двумя точками останется бесконечное количество потенциальных состояний.

Влияние окружения на свойства фотона

Новое исследование демонстрирует, что свойства фотона сильно зависят от взаимодействия с окружающей средой – структурой материала, из которого он испускается, его температурой, а также от окружающего электромагнитного поля. Наночастица, использованная в эксперименте, играет роль своеобразного "шаблона", определяющего форму и другие характеристики испускаемого фотона. Именно это взаимодействие с наноструктурой позволило исследователям визуализировать фотон и получить его "лимонообразное" изображение. Форма, как показали расчёты, не является случайной и отражает особенности электромагнитного поля вблизи поверхности наночастицы.

Методика получения изображения

Техника получения изображения основана на сложной комбинации методов квантовой электроники и вычислительной обработки данных. Учёные использовали высокочувствительные детекторы, способные регистрировать отдельные фотоны. Полученные данные обрабатывались с помощью разработанных ими алгоритмов, которые позволяют реконструировать пространственное распределение электромагнитного поля, связанного с фотоном. Это позволило не только "сфотографировать" фотон, но и получить информацию о его поляризации, энергии и импульсе.

Практическое применение результатов

Полученные результаты имеют огромное значение для различных областей науки и техники. В квантовой информатике возможность визуализировать и управлять свойствами отдельных фотонов позволит создавать более эффективные квантовые компьютеры и квантовые коммуникационные системы. В фотовольтаике, понимание механизмов генерации фотонов в полупроводниковых материалах позволит разработать более эффективные солнечные батареи, способные преобразовывать солнечный свет в электричество с более высоким КПД.