Lý thuyết mới tiết lộ “chân dung” một photon

Một lý thuyết mới giải thích cách ánh sáng và vật chất tương tác với nhau ở cấp độ nguyên tử cho phép các nhà nghiên cứu, lần đầu tiên, xác định được hình dạng chính xác của một photon.

Nghiên cứu được thực hiện tại trường đại học Birmingham, và xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, đã khám phá bản chất của các photon (các hạt ánh sáng) với chi tiết trước nay chưa từng có để chứng tỏ cách chúng được phát ra từ các nguyên tử hoặc các phân tử, và được định hình bởi môi trường của chúng.

Bản chất của tương tác này dẫn đến những khả năng vô hạn bởi ánh sáng tồn tại và lan truyền, hoặc di chuyển, xuyên qua môi trường xung quanh của mình. Khả năng vô hạn đó, tuy nhiên, khiến cho các tương tác đó vô cùng khó để mô hình hóa, và trở thành một thách thức mà các nhà vật lý lượng tử dành rất nhiều thập kỷ để nghiên cứu lời giải.

Bằng việc nhóm các khả năng đó vào những tập hợp riêng biệt, nhóm nghiên cứu ở Birmingham đã có thể tạo ra một mô hình miêu tả không chỉ những tương tác giữa photon và nguồn phát mà còn miêu tả cách năng lượng từ tương tác chuyển thành một ‘trường xa’ riêng biệt.

Tại cùng thời điểm, họ có thể sử dụng các tính toán của mình để tạo ra một hiển thị của chính photon.

Tác giả thứ nhất của nghiên cứu, TS. Benjamin Yuen của trường Vật lý, ĐH Birmingham giải thích, “Tính toán của chúng tôi cho phép chúng tôi chuyển đổi một vấn đề dường như không thể giải thích được thành thứ có thể tính toán được. Và hầu như là một sản phẩm phụ của mô hình đó, chúng tôi đã có thể tạo ra hình ảnh của một photon, điều mà từ trước đến nay chưa từng có trong vật lý”.

Công trình này có vai trò quan trọng bởi vì nó mở ra những con đường mới cho nghiên cứu về vật lý lượng tử và khoa học vật liệu. Bằng việc xác định một cách chính xác một photon tương tác với vật chất và với các nguyên tố khác trong môi trường của nó, các nhà khoa học có thể thiết kế được những công nghệ quang nano mới – những công nghệ mà có tiềm năng thay đổi cách chúng ta truyền tin một cách bảo mật, phá hiện được các mầm bệnh hoặc kiểm soát các phản ứng hóa học tại cấp độ phân tử chẳng hạn.

Đồng tác giả, giáo sư Angela Demetriadou, cũng ở trường đại học Birmingham, nói, “Hình học và các đặc tính quang của môi trường có những hệ quả sâu sắc về cách các photon phát xạ như thế nào, bao gồm việc xác định hình dạng, màu sắc của các photon cũng như cách có thể chúng tồn tại như thế nào”.

TS. Benjamin Yuen, cho biết thêm, “Công trình này giúp chúng tôi mở rộng thêm hiểu biết về trao đổi năng lượng giữa ánh sáng và vật chất, và thứ nữa là hiểu tốt hơn cách ánh sáng chiếu vào những khu vực gần nó và xung quanh ở khoảng cách xa. Rất nhiều thông tin từ trước đến nay từng cho là chỉ có ‘nhiễu’ – nhưng thực ra có nhiều thông tin trong đó mà giờ chúng tôi có thể hiểu ý nghĩa và sử dụng nó”.

“Bằng việc hiểu về những vấn đề như vậy, chúng tôi đã thiết lập nền tảng để có thể sử dụng những tương tác ánh sáng – vật chất cho các ứng dụng tương lai như những cảm biến nhạy hơn, cải thiện các tấm pin năng lượng mặt trời hay tính toán lượng tử”.

Thanh Đức dịch từ University of Birmingham

Nguồn: https://www.birmingham.ac.uk/news/2024/new-theory-reveals-the-shape-of-a-single-photon