Fotone: un nuovo studio ne rivela la forma

Una nuova teoria che spiega come luce e materia interagiscono a livello quantistico ha permesso ai ricercatori di definire per la prima volta la forma precisa di un singolo fotone.

La forma precisa di un singolo fotone

Il fotone è la quantizzazione del campo elettromagnetico. Questo significa che l’energia elettromagnetica, invece di essere emessa o assorbita in modo continuo, viene scambiata in pacchetti discreti, appunto i fotoni che esibiscono una dualità onda-particella. Questa caratteristica, tipica degli oggetti quantistici, significa che in alcuni esperimenti si comporta come un’onda (diffrazione, interferenza), mentre in altri come una particella (effetto fotoelettrico).

In meccanica quantistica è descritto da un’equazione d’onda, l’equazione di Maxwell, che descrive il campo elettromagnetico. La soluzione di questa equazione ci fornisce la funzione d’onda, che contiene tutte le informazioni sul suo stato quantistico.

Il fotone è il quanto di interazione elettromagnetica. Ciò significa che quando due particelle cariche interagiscono elettricamente o magneticamente, scambiano fotoni. Questo scambio di fotoni è alla base di tutte le forze elettromagnetiche, dalla forza che tiene insieme gli atomi alla luce visibile.

Una ricerca dell’Università di Birmingham ha esplorato la natura dei fotoni (singole particelle di luce ) in modo senza precedenti, per mostrare come vengono emessi da atomi o molecole e come vengono modellati dall’ambiente circostante.

La natura di questa interazione ha portato a infinite possibilità per la luce di esistere e propagarsi, o viaggiare, attraverso l’ambiente circostante. Questa possibilità illimitata, tuttavia, rende le interazioni eccezionalmente difficili da modellare, ed è una sfida che i fisici quantistici stanno cercando di affrontare da diversi decenni.

Raggruppando queste possibilità in insiemi distinti, il team di Birmingham è riuscito a produrre un modello che descrive non solo le interazioni tra il fotone e l’emettitore, ma anche il modo in cui l’energia derivante da tale interazione si sposta nel distante “campo lontano”.

Lo studio

Allo stesso tempo, sono stati in grado di utilizzare i loro calcoli per produrre una visualizzazione del fotone stesso. Il primo autore, il dott. Benjamin Yuen, della facoltà di fisica dell’università, ha spiegato: “I nostri calcoli ci hanno permesso di convertire un problema apparentemente irrisolvibile in qualcosa che può essere calcolato. E, quasi come sottoprodotto del modello, siamo stati in grado di produrre questa immagine di un fotone, qualcosa che non era mai stato visto prima in fisica”.

Il lavoro è importante perché apre nuove strade alla ricerca per i fisici quantistici e la scienza dei materiali. Essendo in grado di definire con precisione come un fotone interagisce con la materia e con altri elementi del suo ambiente, gli scienziati possono progettare nuove tecnologie nanofotoniche che potrebbero cambiare il modo in cui comunichiamo in modo sicuro, rileviamo agenti patogeni o controlliamo le reazioni chimiche a livello molecolare, per esempio.

La coautrice, la Professoressa Angela Demetriadou, anch’essa dell’Università di Birmingham, ha affermato: “La geometria e le proprietà ottiche dell’ambiente hanno profonde conseguenze sul modo in cui vengono emessi i fotoni, inclusa la definizione della forma dei fotoni, del loro colore e persino della probabilità che esistano”.

Il dott. Benjamin Yuen ha aggiunto: “Questo lavoro ci aiuta ad aumentare la nostra comprensione dello scambio di energia tra luce e materia e, in secondo luogo, a comprendere meglio come la luce si irradia nei suoi dintorni vicini e lontani. Molte di queste informazioni sono state precedentemente considerate solo “rumore”, ma ci sono così tante informazioni al loro interno che ora possiamo dare loro un senso e utilizzarle”.

Conclusioni

Grazie alla comprensione di questo, poniamo le basi per poter progettare interazioni luce-materia per applicazioni future, come sensori migliori, celle fotovoltaiche potenziate o computer quantistici.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters