Dựa trên lý thuyết mới, lần đầu tiên ngành vật lý học "chụp hình" được một hạt photon

Nghiên cứu mới mở ra những cách thức cải tiến cảm biến cũng như điện toán lượng tử.

Hiểu rõ các tương tác giữa photon và vật chất, các nhà khoa học có thể tìm thấy những lối đi mới trong vật lý lượng tử và khoa học vật liệu, dẫn tới cải thiện công nghệ quang tử nano mới, tối ưu quá trình phát hiện mầm bệnh hay kiểm soát các phản ứng hóa học.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu công tác tại Đại học Birmingham đã khám phá cách photon được phát ra bởi các nguyên tử hoặc phân tử và bị tác động bởi môi trường xung quanh chúng. Đồng thời, họ chụp ảnh nó: một điều chưa từng có trong ngành vật lý.

Kết quả báo cáo đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Một lý thuyết mới giải thích cách ánh sáng và vật chất tương tác ở cấp độ lượng tử đã cho phép các nhà nghiên cứu lần đầu tiên "chụp hình" một photon đơn lẻ - (Nguồn: Tiến sĩ Benjamin Yuen).

“Cấu trúc hình học của môi trường quyết định sự tương tác của photon với vật chất”, các tác giả viết.

“Cấu trúc hình học và tính chất quang học của môi trường có ảnh hưởng sâu sắc đến cách photon được phát ra, bao gồm việc xác định hình dạng, màu sắc của photon và thậm chí cả khả năng tồn tại của nó”, đồng tác giả Angela Demetriadou cho biết thêm.

Trong nghiên cứu, nhóm đã xây dựng một mô hình lý thuyết, trong đó phân loại vô số khả năng tương tác của ánh sáng thành các nhóm riêng biệt. Mô hình này mô tả sự tương tác giữa photon và nguồn phát của nó, cũng như cách năng lượng từ sự tương tác này lan truyền ra xa.

Photon là các đối tượng nghiên cứu thuộc về cơ học lượng tử - nghĩa là chúng có thể được mô tả như cả sóng và hạt. Tuy nhiên, những cách diễn đạt này không thể lột tả hết các đặc điểm của photon cũng như những các hạt cơ bản khác.

Tính lưỡng tính sóng-hạt này đã khiến việc xác định chính xác hình dạng của từng hạt hạ nguyên tử trở nên khó khăn.

“Tính toán của chúng tôi đã giúp chuyển một vấn đề tưởng chừng không thể giải quyết thành một bài toán có thể tính được”, tác giả chính, ông Benjamin Yuen cho biết. “Cũng có thể coi kết quả là một sản phẩm phụ của mô hình, chúng tôi đã có thể tạo ra hình ảnh của photon - điều chưa từng được nhìn thấy trước đây trong vật lý”.

“Công trình này giúp chúng ta tăng cường hiểu biết về sự trao đổi năng lượng giữa ánh sáng và vật chất, đồng thời hiểu rõ hơn cách ánh sáng phát xạ ra môi trường xung quanh gần và xa”, ông Yuen nói.

“Nhiều thông tin trước đây được xem là "nhiễu" – nhưng giờ đây chúng tôi có thể giải mã và tận dụng nó. Hiểu được chúng, chúng tôi đã có nền tảng để có thể thiết kế các tương tác giữa ánh sáng và vật chất cho các ứng dụng trong tương lai, chẳng hạn như cảm biến tốt hơn, cải thiện các cell năng lượng quang điện, hoặc điện toán lượng tử”.

• Các nhà khoa học phát hiện một hạt photon du hành ngược thời gian
• Lần đầu tiên giới khoa học chụp ảnh được hiện tượng rối lượng tử trong thời gian thực
• Dùng photon mô phỏng quá trình du hành xuyên thời gian