پژوهشگران اولین تصویر از یک فوتون را منتشر کردند

فوتون‌ها همان چیزی هستند که چه با چشم چه با دوربین، به ما امکان دیدن می‌دهند. وقتی آن‌ها به شبکیه چشم ما یا حسگرهای دوربین می‌رسند، حامل اطلاعات درمورد منبع انتشار خود یا اجسامی هستند که در مسیر به آن برخورد و بازتابش کرده‌اند و همین اطلاعات به مغز یا دوربین‌های ما امکان ایجاد تصویر را می‌دهد.

با‌این‌حال، یکی از مواردی که فوتون‌ها هرگز نمی‌توانند از آن تصویری بگیرند، فوتون‌های دیگر است. علت این است که آن‌ها هیچ تعاملی با هم ندارند. به جای آن، فیزیکدانان بیرمنگام تصویرسازی ریاضیاتی دقیقی از شکل فوتون ایجاد کرده‌اند. بن یوئن از نویسندگان مقاله به نیواطلس گفت: «این تصویرسازی، شبیه‌سازی دقیقی از فوتون در زمانی است که توسط اتمی که روی سطح یک نانوذره قرار دارد، ساطع می‌شود. شکل فوتون عمیقاً تحت تأثیر نانوذره است و احتمال انتشار فوتون را هزاران بار بیشتر می‌کند و حتی اجازه می‌دهد فوتون چندین بار به اتم برگردد.»

شکل فوتون مسئله پیچیده‌ای است که مانند شکل یک جسم معمولی نمی‌توان آن را به راحتی مشخص کرد. به‌عبارت‌دیگر، وقتی از شکل فوتون صحبت می‌کنیم، منظورمان چیزی متفاوت از تصویرسازی شکل یک جسم معمولی است.

درعوض، شکل فوتون یک توزیع شدت، یعنی نقشه‌ای از جایی است که می‌توان انتظار داشت فوتون در یک لحظه خاص در آن‌جا وجود داشته باشد. مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده احتمال بالاتری برای مشاهده فوتون در نقطه‌ای خاص در زمان اندازه‌گیری موقعیت آن است.

یوئن می‌گوید: «تصویرسازی دقیقاً همان توزیع فوتون است که مدت کوتاهی پس از انتشار آن رخ می‌دهد. چون فوتون ذره کوانتومی است، نمی‌توان آن را یک‌باره اندازه‌گیری کرد، زیرا اندازه‌گیری آن را از بین می‌برد.» وقتی تلاش می‌کنید ویژگی‌های ذره کوانتومی (مثل فوتون) را اندازه‌گیری کنید، وضعیت آن ذره تغییر می‌کند و درنتیجه اطلاعات اولیه از بین می‌رود.

یوئن ادامه می‌دهد  با‌این‌حال، اگر اندازه‌گیری محل تشخیص فوتون را بارها و بارها تکرار کنید، دقیقاً همین توزیع را خواهید دید. علاوه‌بر‌این، یکی از عجیب‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی این است که قبل از اینکه حتی فوتون شناسایی شود، تمام اطلاعات دقیق مربوط به این توزیع شدت از طریق چیزی که آن را «تابع موج» می‌نامیم، وجود دارد. این دقیقاً همان چیزی است که گروه یوئن برای اولین بار توانست آن را محاسبه کند.

 یوئن و همکارش آنجلا دمتریادو به‌طور عمدی در تلاش برای ایجاد تصویری از فوتون نبودند، بلکه این امر به‌طور اتفاقی به‌عنوان نتیجه‌ای از پژوهشی کلی‌تر به دست آمد. یوئن می‌گوید قصد داشتیم به این سوال پاسخ بدهیم که فوتون‌ها چگونه توسط اتم‌ها و مولکول‌ها منتشر می‌شوند و محیط آن‌ها چه تأثیری بر این فرایند دارد؟ این چیزی است که فیزیکدان‌ها فقط می‌توانند در شرایط خلأ کامل که فقط یک اتم یا مولکول در آن وجود دارد، به درستی مدل‌سازی کنند. با‌این‌حال، از مدت‌ها پیش مشخص شده است که محیط می‌تواند تأثیر عمیقی بر این فرایند داشته باشد، اما هیچ نظریه‌ای نتوانسته جزئیات آن را به‌طور کامل توضیح دهد.

برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی ابتدا نسخه‌ای از نظریه میدان کوانتومی را توسعه دادند که شامل یک نانوذره سیلیکونی در تعامل با فوتون‌ها بود.

مشکلی که وجود دارد این است که در حالت کلی بی‌نهایت احتمال برای نحوه تعامل نانوذره با طیف پیوسته‌ای از نور وجود دارد، اما تیم تحقیقاتی راهی پیدا کرد تا این احتمالات را محدود کند. یوئن توضیح می‌دهد: «از شاخه‌ای از ریاضیات به نام تحلیل مختلط استفاده کردیم تا مسئله را از مجموعه‌ای بی‌پایان (که براساس اعداد حقیقی بود) به مجموعه ‌ای محدودتر (بر اساس اعداد مختلط) تبدیل کنیم. این رویکرد مسئله را ساده‌تر کرد و به ما این امکان را داد که آن را به‌عنوان تعاملی با تنها چند صد حالت نوری مختلط نمایش دهیم. وقتی این کار را انجام دادیم، جزئیاتی مثل اینکه نور چگونه پخش می‌شود و شکل توزیع شدت فوتون‌ها چگونه است، از نظریه ما حاصل شد.»

به‌گفته‌ی پژوهشگران، مطالعه جدید آن‌ها درک ما از نحوه تعامل نور و ماده را بهبود می‌بخشد و می‌تواند کاربردهایی در سلول‌های خورشیدی، محاسبات کوانتومی و حسگرها داشته باشد.

پژوهش در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.