Birmingham Üniversitesi’nden bilim insanları, ışık ve maddenin kuantum düzeydeki etkileşimlerine dair çığır açıcı bir teori geliştirdi. Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bu araştırma, ilk kez tek bir fotonun (ışığın bireysel parçacığı) kesin biçimini tanımlamayı mümkün kıldı. Bilmeyenler için foton, ışığın ve diğer elektromanyetik dalgaların yapıtaşı olan temel bir parçacıktır. Gözle görülmese de etrafımızda ışık olarak algıladığımız şeyin temelinde fotonlar bulunuyor. Fotonlar, enerjiyi taşıyıp boşlukta ışık hızında hareket etseler de ilginç bir şekilde, kütleleri yoktur. Bir ampul yandığında, güneş ışığı üzerimize vurduğunda veya bir radyo sinyali yayıldığında aslında fotonlar çevremizde hareket eder ve bizimle etkileşim kurar. Bu parçacıklar hem dalga gibi davranır hem de parçacık gibi, bu da onları doğanın en ilginç fenomenlerinden biri yapıyor.
Fotonları görselleştirmek oldukça zor
Fotonlar, retinamıza ya da bir kamera sensörüne ulaştıklarında, geldikleri kaynak veya yansıdıkları nesneler hakkında bilgi taşırlar. Ancak fotonlar, birbiriyle doğrudan etkileşime girmediği için başka fotonların görüntüsünü oluşturamazlar.
Birmingham Üniversitesi’nden Ben Yuen ve Angela Demetriadou liderliğindeki ekip, bu sorunun üstesinden gelerek bir fotonun “şeklinin” matematiksel olarak doğru bir görselleştirmesini oluşturdu. Bu şekil, bir fotonun yayıldığı sıradaki olasılık yoğunluğunun bir haritası olarak tanımlanıyor.
Fotonun “şekli” ne anlama geliyor?
Yuen, fotonun şeklinin bir nesneninki gibi fiziksel bir sınır ya da hacim ifade etmediğini vurguluyor. Bunun yerine, bu görselleştirme, bir fotonun belirli bir zamanda nerede bulunma olasılığının daha yüksek olduğunu gösteren bir yoğunluk dağılımını temsil ediyor. Görselleştirmedeki parlak alanlar, fotonun orada olma olasılığının daha yüksek olduğunu ifade ediyor. Fotonlar bir kuantum parçacığı olduğu için onları tek seferde ölçmek mümkün değil zira bu, onları yok eder. Ancak, bir fotonun nerede tespit edildiğinin ölçümünü birçok kez tekrarlarsanız, tam olarak bu dağılım ortaya çıkıyor. Dahası, kuantum mekaniğiyle ilgili en tuhaf şeylerden biri de, foton tespit edilmeden önce, bu yoğunluk dağılımının tüm detay bilgilerinin, fotonun ‘dalga fonksiyonu’ dediğimiz şey aracılığıyla zaten mevcut olması. Bilim insanları bunu ilk kez hesaplayabildi.
Çalışmanın arkasındaki teknoloji
Araştırmacılar, bu görselleştirmeyi oluşturmak için kuantum alan teorisinin geliştirilmiş bir versiyonunu kullandı. Bu teoride, silikon bir nanoparçacık ile etkileşime giren fotonlar analiz edildi. Bu süreç, sonsuz sayıda olasılığı ele alan bir matematiksel model gerektiriyordu. Ekip, karmaşık analiz yöntemlerini kullanarak bu olasılıkları sınırladı ve daha basit bir modele dönüştürdü.
Esasında araştırma, fotonların atomlar veya moleküller tarafından nasıl yayıldığını ve çevrelerinden nasıl etkilendiğini benzersiz bir detayla inceliyor. Bu etkileşimlerin doğası, ışığın çevresinde sonsuz sayıda olasılıkla var olmasını ve yayılmasını mümkün kılıyor. Ancak bu sınırsız olasılık, bilim insanları için onlarca yıldır çözülmesi güç bir problem olarak varlığını sürdürüyor. Fotonun ilk görsel temsili
Birmingham Üniversitesi araştırma ekibi, bu olasılıkları belirli gruplara ayırarak, bir foton ile yayıcı arasındaki etkileşimleri ve bu etkileşimden çıkan enerjinin uzak alanlara nasıl yayıldığını açıklayan bir model geliştirdi. Üstelik, bu hesaplamalar sonucunda bir fotonun görsel bir temsili de ilk kez elde edildi.
Araştırmacılar, bu çalışmanın ışık ve maddenin nasıl etkileşime girdiğine dair anlayışımızı büyük ölçüde geliştirdiğini ve bunun güneş hücreleri, kuantum hesaplama ve sensörlerde kullanılabileceğini söylüyorlar. Fotonun maddeyle ve çevresindeki diğer unsurlarla nasıl etkileştiğini tam anlamıyla tanımlayabilmek, güvenli iletişim, patojen tespiti veya moleküler düzeyde kimyasal reaksiyonların kontrolü gibi alanlarda yeni nanofotonik teknolojilerin tasarlanmasını sağlayabilir.
