Tek bir fotonun nasıl göründüğü, ilk kez ortaya çıkartıldı

İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi araştırmacıları, ışık ve maddenin nasıl etkileşime girdiğini anlamak için ilgi çekici bir bilgisayar modeli geliştirdiler. Bu oldukça zor bir görev olsa da, araştırma ekibi bu sorunu basitleştirmek için bir strateji geliştirmeyi başardı. Bu sayede tek bir fotonun kesin şeklini temsil eden bir görüntü, tarihte ilk kez oluşturuldu.

Foton tek bir ışık parçacığı olarak tanımlanabilir. Işık aynı anda hem parçacık hem de dalga olarak varlığını sürdürür. Bu ikili durumun keşfedilmesi bilim dünyasında büyük bir etki yaratarak varlık hakkındaki anlayışımızı temelinden değiştirmişti.

Tekil olarak fotonlar ve madde arasındaki etkileşim kuantum mekaniğinde çok önemli bir yere sahip. Bu etkileşim, aralarında günlük olarak etkileşimde bulunduğumuz birçok teknolojinin temelinin de bulunduğu birçok farklı mekanizmanın oluşmasını sağlar. Bu yüzden bu etkileşimi anlamak, yeni gelişmeler için muazzam bir öneme sahiptir.

Ortamda yayılan ışık, etkileşim için sınırsız olasılıklara sahiptir. Ekip bu sürekli olasılıklar aralığını aldı ve ayrı bir küme oluşturarak basitleştirdi. Bu şekilde bir yayıcı ile bir foton arasındaki etkileşimi ve fotonun bir “uzak alana” nasıl gittiğini modellediler. Ayrıca bu hesaplamalar, bir fotonun şeklinin grafiksel bir anlayışını da ortaya çıkardı.

Benjamin Yuen

Başyazar Dr. Benjamin Yuen, yaptığı açıklamada “hesaplamalarımız, görünüşte çözülemez bir problemi hesaplanabilir bir şeye dönüştürmemizi sağladı. Ve neredeyse modelin bir yan ürünü olarak, fizikte daha önce görülmemiş bir şey olan bir fotonun bu görüntüsünü üretebildik” dedi.

Bu teorik çalışma, fizikten malzeme bilimine kadar pek çok farklı alanı etkileyebilir. Telekomünikasyondan moleküler düzeyde kimyasal reaksiyon kontrolü yoluyla tıbbi cihazlara kadar ışık ve madde arasındaki etkileşimleri gerektiren teknolojiler, bunların nasıl gerçekleştiğini bilmekten faydalanabilir.

Ortak yazar Profesör Angela Demetriadou, “Ortamın geometrisi ve optik özellikleri, fotonların nasıl yayıldığı üzerinde derin sonuçlara sahiptir. Bunlara fotonların şekli, rengi ve hatta var olma olasılığı da dahildir” diyor ve ekliyor: “Bu çalışma, ışık ve madde arasındaki enerji alışverişini anlayışımızı ilerletmeye ve ek olarak ışığın yakın ve uzak çevresine nasıl yayıldığını daha iyi anlamamıza yardımcı oluyor. Bu bilgilerin çoğu daha önce sadece ‘gürültü’ olarak düşünülüyordu – ancak içinde artık anlamlandırabileceğimiz ve kullanabileceğimiz çok fazla bilgi var. Bunu anlayarak, daha iyi sensörler, geliştirilmiş fotovoltaik enerji hücreleri veya kuantum hesaplama gibi gelecekteki uygulamalar için ışık-madde etkileşimlerini tasarlayabilmenin temellerini atıyoruz.”

Çalışma Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.