นักวิจัยในเบอร์มิงแฮมได้สร้างภาพแรกของโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคแสงรูปมะนาวที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวของอนุภาคนาโน ทฤษฎีที่ทำให้ภาพนี้เป็นไปได้ รายงานเมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายนในวารสาร จดหมายทบทวนทางกายภาพช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณและเข้าใจคุณสมบัติต่างๆ ของอนุภาคควอนตัมเหล่านี้ ซึ่งอาจเปิดโอกาสความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในสาขาต่างๆ เช่น, อุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์
พฤติกรรมควอนตัมของไลท์ได้รับการยอมรับอย่างดี โดยมีการทดลองกว่า 100 ปีแสดงให้เห็น- แต่ความเข้าใจพื้นฐานของเราเกี่ยวกับธรรมชาติควอนตัมนี้ยังล้าหลังกว่านั้นมาก และเรามีความเข้าใจอย่างจำกัดว่าโฟตอนถูกสร้างและปล่อยออกมาอย่างไร หรือวิธีที่พวกมันเปลี่ยนแปลงผ่านอวกาศและเวลา
"เราต้องการที่จะเข้าใจกระบวนการเหล่านี้เพื่อใช้ประโยชน์จากควอนตัมนั้น" ผู้เขียนคนแรกเบน หยวนนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมในสหราชอาณาจักร บอกกับ WordsSideKick.com ทางอีเมล "แสงและสสารมีปฏิสัมพันธ์กันในระดับนี้อย่างไร"
อย่างไรก็ตาม ธรรมชาติของแสงหมายความว่าคำตอบสำหรับคำถามนี้มีความเป็นไปได้ที่แทบจะไร้ขีดจำกัด "เราสามารถคิดว่าโฟตอนเป็นแรงกระตุ้นพื้นฐานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า" Yuen อธิบาย ฟิลด์เหล่านี้มีความต่อเนื่องของความถี่ที่แตกต่างกัน ซึ่งแต่ละความถี่อาจทำให้เกิดความตื่นเต้นได้ “คุณสามารถแบ่งความต่อเนื่องออกเป็นส่วนเล็กๆ และระหว่างสองจุดใดๆ ก็ยังมีจุดที่เป็นไปได้ที่คุณสามารถเลือกได้เป็นจำนวนอนันต์” Yuen กล่าวเสริม
ผลที่ได้คือคุณสมบัติของโฟตอนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสภาพแวดล้อมอย่างมาก ทำให้เกิดคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ “เมื่อมองแวบแรก เราจะต้องจดและแก้สมการจำนวนอนันต์เพื่อให้ได้คำตอบ” หยวนกล่าว
ที่เกี่ยวข้อง:
เพื่อจัดการกับงานที่ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้นี้ Yuen และผู้เขียนร่วม แองเจล่า เดเมเทรียดูศาสตราจารย์ด้านนาโนโฟโตนิกเชิงทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ใช้เคล็ดลับทางคณิตศาสตร์อันชาญฉลาดเพื่อทำให้สมการง่ายขึ้นอย่างมาก
การแนะนำจำนวนจินตภาพ — การคูณรากที่สองที่เป็นไปไม่ได้ของ -1 — เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังในการจัดการสมการที่ซับซ้อน การจัดการส่วนประกอบจินตภาพเหล่านี้ทำให้คำศัพท์ที่ยากหลายคำในสมการหักล้างกัน หากจำนวนจินตภาพทั้งหมดถูกแปลงกลับเป็นจำนวนจริงก่อนที่จะถึงผลเฉลย จะทำให้การคำนวณจัดการได้ง่ายขึ้นมาก
“เราเปลี่ยนความต่อเนื่องของความถี่จริงนั้นให้เป็นชุดความถี่ที่ซับซ้อนแยกกัน” Yuen อธิบาย "การทำเช่นนี้ เราจะลดความซับซ้อนของสมการจากความต่อเนื่องเป็นเซตแยกซึ่งเราสามารถจัดการได้ เราสามารถใส่สมการเหล่านั้นลงในคอมพิวเตอร์และแก้มันได้"
ทีมงานใช้การคำนวณใหม่เหล่านี้เพื่อสร้างแบบจำลองคุณสมบัติของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวของอนุภาคนาโน โดยอธิบายปฏิสัมพันธ์กับตัวปล่อยและวิธีที่โฟตอนแพร่กระจายออกจากแหล่งกำเนิด จากผลลัพธ์เหล่านี้ ทีมงานได้สร้างภาพแรกของโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาครูปมะนาวที่ไม่เคยเห็นมาก่อนในวิชาฟิสิกส์
อย่างไรก็ตาม Yuen ย้ำว่านี่เป็นเพียงรูปร่างของโฟตอนที่สร้างขึ้นภายใต้สภาวะเหล่านี้ “รูปร่างเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิงตามสภาพแวดล้อม” เขากล่าว "นี่คือจุดสำคัญของนาโนโฟโตนิกส์จริงๆ โดยการสร้างสภาพแวดล้อม เราก็สามารถสร้างโฟตอนได้ด้วยตัวเอง"
การคำนวณของทีมให้ข้อมูลเชิงลึกพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติของอนุภาคควอนตัมนี้ ซึ่งเป็นความรู้ที่ Yuen เชื่อว่าจะเปิดแนวทางการวิจัยใหม่ๆ สำหรับนักฟิสิกส์ นักเคมี และนักชีววิทยา
“เราสามารถคิดถึงอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ โฟโตเคมี การเก็บเกี่ยวแสงและไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ การทำความเข้าใจการสังเคราะห์ด้วยแสง ไบโอเซนเซอร์ และการสื่อสารควอนตัม” Yuen กล่าว "และจะมีแอปพลิเคชันที่ไม่รู้จักอีกมากมาย การทำทฤษฎีพื้นฐานแบบนี้ คุณจะปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในด้านอื่นๆ"
