پژوهشگران تعامل فوتون‌ها را شبیه‌سازی کردند

تحقیقی جدید از دانشگاه بیرمنگام مدلی را معرفی کرده است که نحوه تعامل فوتون‌ها با منبع انتشار آنها را شبیه‌سازی و توضیح می‌دهد.

به گزارش تک‌ناک، محققان این مطالعه از محاسبات مدل خود برای ایجاد یک تصویر بصری از فوتون استفاده کردند. فوتون‌ها ذرات بدون جرمی هستند که نور را تشکیل می‌دهند. آنها با سرعت بسیار زیادی حرکت می‌کنند و با مواد مختلف تعامل دارند.

زمانی که فوتون‌ها از اتم‌ها و مولکول‌ها منتشر می‌شوند، می‌توانند باعث رخ دادن بسیاری از تعاملات و امکان‌ها شوند.

دکتر بنجامین یوئن، نویسنده اصلی این تحقیق و استاد دانشگاه بیرمنگام گفت: «محاسبات به ما کمک کرد تا یک مشکل که به نظر غیرقابل حل می‌رسید را به موضوعی قابل محاسبه تبدیل نماییم و به طور تصادفی توانستیم تصویری از فوتون تولید کنیم که در فیزیک دیده نشده بود.»

اهمیت تعامل فوتون‌ها در دنیای کوانتومی

در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین برای نخستین بار بیان کرد که نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است و در سال ۱۹۲۶، گیلبرت نیوتن لویس شیمیدان آمریکایی واژه «فوتون» را برای این ذرات معرفی کرد.

با وجود این، حتی بعد از ۱۰۰ سال، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که فوتون چگونه به نظر می‌آید و چطور با محیط اطراف خود تعامل می‌کند، چرا که فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند و هیچ موقعیت یا مسیر ثابتی ندارند.

اگرچه دانشمندان روش‌هایی برای مشاهده و دستکاری فوتون‌ها مانند: استفاده از آشکارسازهای نوری یا دوربین‌های سریع و شتاب‌دهنده‌های ذرات دارند، اما این روش‌ها فقط اثرات فوتون‌ها را اندازه‌گیری یا تصویربرداری می‌کنند.

با وجود این، درک نحوه شکل و تعامل فوتون‌ها با ماده برای درک بهتر دنیای کوانتومی و بهبود فناوری‌هایی مانند: فوتونیک کوانتومی، ارتباطات و رمزنگاری اهمیت زیادی دارد.

به عنوان مثال، ویژگی دوگانه موج و ذره فوتون‌ها، نحوه تعامل آنها با ماده را مشخص می‌کند و پدیده‌هایی مثل جذب، نشر و پراکندگی را ممکن می‌سازد.

مدل جدید چه کاری انجام می‌دهد؟

مدل ریاضی تیم دانشگاه بیرمنگام (UoB) از تکنیکی به نام «گسترش شبه‌حالت» استفاده می‌کند. این روش در اپتیک کوانتومی برای مطالعه نحوه تعامل نور با ماده در محیط‌های پیچیده مثل کریستال‌های فوتونی مفید است.

این روش به جای شبیه‌سازی دقیق تمام محیط، از چند حالت ساده‌شده برای نشان دادن تأثیرات اصلی محیط بر سیستم استفاده می‌کند. این کار تجزیه و تحلیل را ساده‌تر می‌کند و در عین حال تعاملات مهم را در نظر می‌گیرد.

این مدل موفق شده است تعاملات بین فوتون‌ها و منابع کوانتومی مختلف مانند: اتم‌ها، نقطه‌های کوانتومی (ذرات کوچک که مانند اتم‌های مصنوعی عمل می‌کنند) و مولکول‌های فلورسانس را توضیح دهد.

همچنین این مدل به بررسی انرژی‌هایی می‌پردازد که از تعامل فوتون‌ها با ماده در میدان‌های نزدیک و دور به وجود می‌آید.

دکتر یوئن عنوان کرد: «این کار به ما کمک می‌کند تا بهتر بفهمیم چگونه انرژی بین نور و ماده منتقل می‌شود و چگونه نور به محیط‌های اطراف خود تابش می‌کند.»

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.