ابتكر باحثون في برمنغهام أول صورة للفوتون، وهو جسيم ضوئي على شكل ليمونة ينبعث من سطح جسيم نانوي. تم نشر النظرية التي جعلت هذه الصورة ممكنة في 14 نوفمبر في المجلة رسائل المراجعة البدنية، تمكن العلماء من حساب وفهم الخصائص المختلفة لهذه الجسيمات الكمومية – والتي يمكن أن تفتح مجموعة من الاحتمالات الجديدة عبر مجالات مثل الحوسبة الكموميةوالأجهزة الكهروضوئية والتمثيل الضوئي الاصطناعي.
إن السلوك الكمي للضوء راسخ، حيث أظهرت التجارب أكثر من 100 عام ذلك يمكن أن توجد في كل من شكل الموجة والجسيم. لكن فهمنا الأساسي لهذه الطبيعة الكمومية ما زال متأخرًا كثيرًا، وليس لدينا سوى فهم محدود لكيفية إنشاء الفوتونات وانبعاثها، أو لكيفية تغيرها عبر المكان والزمان.
“نريد أن نكون قادرين على فهم هذه العمليات للاستفادة من هذا الجانب الكمي،” المؤلف الأول بن يوينوقال زميل باحث في جامعة برمنغهام في المملكة المتحدة لموقع Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني. “كيف يتفاعل الضوء والمادة حقًا على هذا المستوى؟”
ومع ذلك، فإن طبيعة الضوء تعني أن الإجابة على هذا السؤال لها احتمالات لا حدود لها تقريبًا. وأوضح يوين: “يمكننا أن نفكر في الفوتون باعتباره إثارة أساسية للمجال الكهرومغناطيسي”. هذه المجالات عبارة عن سلسلة متصلة من الترددات المختلفة، ومن المحتمل أن يصبح كل منها متحمسًا. وأضاف يوين: “يمكنك تقسيم السلسلة المتصلة إلى أجزاء أصغر، وبين أي نقطتين، لا يزال هناك عدد لا حصر له من النقاط المحتملة التي يمكنك اختيارها”.
والنتيجة هي أن خصائص الفوتون تعتمد بشكل كبير على خصائص بيئته، مما يؤدي إلى بعض الرياضيات المعقدة بشكل لا يصدق. وقال يوين: “للوهلة الأولى، سيتعين علينا كتابة وحل عدد لا حصر له من المعادلات للوصول إلى إجابة”.
متعلق ب: طلاب المدارس الثانوية الذين توصلوا إلى دليل “مستحيل” على نظرية فيثاغورس يكتشفون 9 حلول أخرى للمشكلة
لمعالجة هذه المهمة التي تبدو مستحيلة، شارك يوين في تأليفها أنجيلا ديميتريادواستخدم، أستاذ علم الضوئيات النانوية النظرية في جامعة برمنغهام، خدعة رياضية ذكية لتبسيط المعادلات بشكل كبير.
يعد تقديم الأعداد التخيلية — مضاعفات الجذر التربيعي المستحيل لـ -1 — أداة فعالة عند التعامل مع المعادلات المعقدة. إن معالجة هذه المكونات التخيلية تسمح للعديد من الحدود الصعبة في المعادلة بإلغاء بعضها البعض. بشرط أن يتم تحويل جميع الأرقام التخيلية مرة أخرى إلى أرقام حقيقية قبل الوصول إلى الحل، فإن هذا يترك عملية حسابية أكثر قابلية للإدارة.
وأوضح يوين: “لقد حولنا سلسلة الترددات الحقيقية هذه إلى مجموعة منفصلة من الترددات المعقدة”. “من خلال القيام بذلك، نقوم بتبسيط المعادلات من سلسلة متصلة إلى مجموعة منفصلة يمكننا التعامل معها. يمكننا وضعها في جهاز كمبيوتر وحلها.”
استخدم الفريق هذه الحسابات الجديدة لنمذجة خصائص الفوتون المنبعث من سطح الجسيمات النانوية، ووصف التفاعلات مع الباعث وكيفية انتشار الفوتون بعيدًا عن المصدر. ومن هذه النتائج، أنتج الفريق أول صورة للفوتون، وهو جسيم على شكل ليمونة لم يسبق له مثيل في الفيزياء.
الجمعة السوداء 2024
احصل على خصم على مجموعات العلوم, أجهزة تنقية الهواء, فرشاة الأسنان الكهربائية, التلسكوبات, مناظير, الكاميرات وأكثر مع هؤلاء عروض الجمعة السوداء، كما أوصى به المحررون والمختبرون الخبراء لدينا.
ومع ذلك، أكد يوين أن هذا ليس سوى شكل الفوتون المتولد في ظل هذه الظروف. وقال “إن الشكل يتغير تماما مع البيئة”. “هذا هو حقًا الهدف من علم الضوئيات النانوية، وهو أنه من خلال تشكيل البيئة، يمكننا حقًا تشكيل الفوتون نفسه.”
توفر حسابات الفريق نظرة ثاقبة أساسية حول خصائص هذا الجسيم الكمي، وهي المعرفة التي يعتقد يوين أنها ستفتح خطوطًا جديدة للبحث أمام الفيزيائيين والكيميائيين وعلماء الأحياء على حدٍ سواء.
وقال يوين: “يمكننا التفكير في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، والكيمياء الضوئية، وتجميع الضوء، والخلايا الكهروضوئية، وفهم عملية التمثيل الضوئي، وأجهزة الاستشعار الحيوية، والتواصل الكمي”. “وسيكون هناك مجموعة كاملة من التطبيقات غير المعروفة. ومن خلال القيام بهذا النوع من النظريات الأساسية، فإنك تفتح إمكانيات جديدة في مجالات أخرى.”
