Теорія моделює взаємодію частинок світла і матерії на квантовому рівні.
Форма одиночного фотона. Зображення: Benjamin Yuen, University of Birmingham
Фізики з Університету Бірмінгема вперше визначили та візуалізували точну форму окремого фотона. Це досягнення стало можливим завдяки створенню комп’ютерної моделі, яка дозволяє вивчати взаємодію світла з матерією на квантовому рівні.
Вчені вивчили природу фотонів з безпрецедентним ступенем деталізації, щоб показати, як вони випромінюються атомами або молекулами і як їхні характеристики змінюються під впливом навколишнього середовища. Ці взаємодії створюють практично нескінченні можливості для існування і поширення світла, а також для його переміщення через різні середовища.
Дослідники перетворили нескінченну безліч можливих станів фотона на кінцевий набір варіантів, що дало змогу провести точні розрахунки. У результаті було не тільки змодельовано динаміку взаємодії фотона з випромінювачем і його поширення в далекому полі, а й отримано перше в історії зображення форми одиночного фотона.
Науковці розробили математичний підхід, який дозволив спростити надзвичайно складну задачу моделювання квантових взаємодій до обчислювального рівня. Як зазначає співавтор дослідження Бенджамін Юен, візуалізація форми фотона стала несподіваним “побічним продуктом” цієї роботи.
Дослідники вважають, що розуміння точної геометрії фотонів і їхньої взаємодії з навколишнім середовищем може призвести до проривів у різних технологічних галузях: від квантових обчислень і безпечних комунікацій до розробки більш ефективних сонячних елементів і високоточних датчиків.