งานวิจัยใหม่จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมสำรวจธรรมชาติของโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคแต่ละอนุภาคของแสงโดยละเอียดอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน
Ben Yuen และ Angela Demetriadou ให้คำจำกัดความรูปร่างที่แม่นยำของโฟตอนเดี่ยว เครดิตรูปภาพ: Ben Yuen และ Angela Demetriadou
ศาสตราจารย์ Angela Demetriadou จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม กล่าวว่า "เรขาคณิตและคุณสมบัติทางแสงของสภาพแวดล้อมมีผลกระทบอย่างมากต่อการแผ่รังสีโฟตอน รวมถึงการกำหนดรูปร่าง สี และแม้กระทั่งความเป็นไปได้ที่โฟตอนจะเกิดขึ้น"
งานใหม่ของทีมแสดงให้เห็นว่าโฟตอนถูกปล่อยออกมาจากอะตอมหรือโมเลกุลและมีรูปร่างตามสภาพแวดล้อมอย่างไร
ธรรมชาติของการมีปฏิสัมพันธ์นี้นำไปสู่ความเป็นไปได้ที่ไม่มีที่สิ้นสุดสำหรับแสงที่มีอยู่และแพร่กระจายหรือเดินทางผ่านสภาพแวดล้อมโดยรอบ
อย่างไรก็ตาม ความเป็นไปได้ที่ไร้ขีดจำกัดนี้ทำให้ปฏิสัมพันธ์นี้ยากต่อการสร้างแบบจำลอง และเป็นความท้าทายที่นักฟิสิกส์ควอนตัมพยายามแก้ไขมาหลายทศวรรษแล้ว
ด้วยการจัดกลุ่มความเป็นไปได้เหล่านี้ออกเป็นชุดต่างๆ ผู้เขียนสามารถสร้างแบบจำลองที่ไม่เพียงแต่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับตัวปล่อยเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิธีที่พลังงานจากปฏิสัมพันธ์นั้นเดินทางเข้าสู่สนามไกลที่ห่างไกลอีกด้วย
ในเวลาเดียวกัน พวกเขาสามารถใช้การคำนวณเพื่อสร้างภาพโฟตอนได้
“การคำนวณของเราช่วยให้เราสามารถแปลงปัญหาที่ดูเหมือนจะแก้ไขไม่ได้ให้เป็นสิ่งที่สามารถคำนวณได้” ดร. Benjamin Yuen จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมกล่าว
“และเกือบจะเป็นผลพลอยได้ของแบบจำลองนี้ เราสามารถสร้างภาพโฟตอนได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยเห็นมาก่อนในฟิสิกส์”
งานนี้มีความสำคัญเนื่องจากเป็นการเปิดช่องทางการวิจัยใหม่สำหรับนักฟิสิกส์ควอนตัมและวัสดุศาสตร์
ด้วยการสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำว่าโฟตอนมีปฏิกิริยากับสสารและองค์ประกอบอื่นๆ ของสภาพแวดล้อมอย่างไร นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบเทคโนโลยีนาโนโฟโตนิกใหม่ๆ ที่สามารถเปลี่ยนวิธีการสื่อสารของเราอย่างปลอดภัย ตรวจจับเชื้อโรค หรือควบคุมปฏิกิริยาทางเคมีในระดับโมเลกุล เป็นต้น
“งานนี้ช่วยให้เราเข้าใจการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างแสงและสสารมากขึ้น และประการที่สองเพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่าแสงแผ่ออกสู่สภาพแวดล้อมใกล้เคียงและห่างไกลได้อย่างไร” ดร. หยวนกล่าว
“ก่อนหน้านี้ข้อมูลจำนวนมากนี้เคยถูกมองว่าเป็นเพียงเสียงรบกวน แต่มีข้อมูลมากมายอยู่ภายในนั้น ซึ่งตอนนี้เราสามารถทำความเข้าใจและนำไปใช้ประโยชน์ได้”
“ด้วยการทำความเข้าใจสิ่งนี้ เราได้วางรากฐานเพื่อให้สามารถออกแบบปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารแสงสำหรับการใช้งานในอนาคต เช่น เซ็นเซอร์ที่ดีขึ้น เซลล์พลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ได้รับการปรับปรุง หรือการคำนวณควอนตัม”
ที่งานได้รับการตีพิมพ์ในวารสารจดหมายทบทวนทางกายภาพ-
-
เบน หยวน และ แองเจลา เดเมเทรียดู 2024. พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัมที่แน่นอนของสภาพแวดล้อมโฟโตนิกแบบแผ่รังสีฟิสิกส์ สาธุคุณเลตต์133, 203604; ดอย: 10.1103/PhysRevLett.133.203604
