Впервые учёным удалось создать прямую визуализацию формы фотона. Фотоны — частицы света — невозможно сфотографировать привычным способом, но физики из Университета Бирмингема рассчитали их волновую функцию и получили точное изображение фотона в момент его излучения.

Именно фотоны позволяют нам видеть — когда они достигают сетчатки глаза или сенсора камеры, они несут информацию о своём источнике или об объектах, от которых отразились. Но фотоны не могут фиксировать друг друга, так как не взаимодействуют между собой. Теперь учёные нашли способ сделать следующее лучшее: математически точно визуализировать форму фотона. «Мы получили точную симуляцию фотона, испускаемого атомом на поверхности наночастицы», — рассказал New Atlas соавтор Бен Юэн. — «Форма фотона сильно зависит от наночастицы: она увеличивает вероятность излучения в тысячи раз и даже позволяет атому повторно поглощать этот фотон несколько раз».

Говоря о «форме» фотона, речь идёт не о привычном контуре объекта, а о распределении интенсивности — по сути, это карта вероятности обнаружить фотон в определённой точке пространства в заданный момент времени. Яркие области на такой карте указывают на места, где вероятность обнаружить фотон выше.

«Визуализация — это именно такое распределение фотона вскоре после его испускания», — объясняет Юэн. — «Поскольку фотон — квантовая частица, нельзя измерить его положение единожды, не уничтожив его. Но если повторять измерения множество раз, получится именно такое распределение».

Одна из поразительных особенностей квантовой механики в том, что ещё до обнаружения фотона вся детализация этого распределения содержится в его волновой функции — и именно её впервые удалось рассчитать.

Почему такую визуализацию не сделали раньше? Оказывается, Юэн и его соавтор Анжела Деметриаду изначально не ставили такую цель — это оказалось побочным продуктом общего исследования.

«Мы хотели ответить на фундаментальный вопрос: как фотоны реально испускаются атомами и молекулами, и как влияет на этот процесс их окружение?» — говорит Юэн. Раньше физики могли смоделировать это только для одиночного атома или молекулы в идеальном вакууме. Но давно известно, что окружающая среда серьёзно влияет на процесс, и ни одна теория не могла учесть все детали.

Чтобы решить задачу, команда разработала версию квантовой теории поля, учитывающую взаимодействие фотонов с кремниевой наночастицей. Проблема была в том, что существует бесконечно много способов, как наночастица может взаимодействовать с непрерывным спектром света. К счастью, исследователи нашли способ упростить задачу.

«Мы использовали раздел математики, называемый комплексным анализом, чтобы преобразовать задачу из непрерывного множества на вещественных числах в дискретное на комплексных», — поясняет Юэн. — «Хотя звучит сложно, это сильно упростило расчёты, позволив представить взаимодействие всего с несколькими сотнями отдельных “комплексных” мод свет».

Этот подход и позволил впервые создать визуализацию формы фотона.

«Удивительно, но когда мы это сделали, из теории “выпали” такие детали, как точная форма распространения света и ожидаемое распределение интенсивности фотонов», — заключает Юэн.

Исследователи отмечают, что их работа значительно продвигает вперёд понимание взаимодействия света и вещества. Это открытие может найти применение в таких областях, как солнечная энергетика, квантовые вычисления и сенсорные технологии.