اولین تصاویر از فوتون‌ها، که از اجزای اصلی نور هستند، همواره به عنوان یکی از چالش‌های بزرگ در علم فیزیک کوانتومی مطرح بوده است. با این حال، پژوهشگران دانشگاه بیرمنگام برای اولین بار موفق به ایجاد تصویری دقیق از فوتون‌ها در لحظه‌ی انتشار آن‌ها شدند. این تصویرسازی جدید، برخلاف روش‌های تصویربرداری معمولی، بر محاسبات ریاضیاتی و مدل‌های کوانتومی مبتنی است. این دستاورد درواقع محاسبه تابع موج فوتون‌ها است که برای ایجاد اولین تصاویر از فوتون‌ها به کار رفته است. با ای بازی همراه باشید.
چرا تصویربرداری از فوتون‌ها تا به امروز غیرممکن بود؟
فوتون‌ها، که با چشم انسان یا حسگرهای دوربین مشاهده می‌شوند، اطلاعاتی از منبع نور و اجسامی که فوتون‌ها به آن‌ها برخورد کرده‌اند، ارائه می‌دهند. این اطلاعات به مغز یا دوربین‌ها کمک می‌کنند تا تصویری از دنیای اطراف شکل دهند. اما فوتون‌ها هیچ‌گاه قادر به گرفتن تصویر از یکدیگر نیستند، چرا که این ذرات هیچ‌گونه تعاملی با یکدیگر ندارند. به جای این تعامل، پژوهشگران دانشگاه بیرمنگام توانسته‌اند نخستین تصاویر از فوتون‌ها را به‌طور ریاضیاتی و دقیق بسازند. این تصویرسازی به‌ویژه مربوط به زمانی است که فوتون توسط اتمی روی سطح یک نانوذره ساطع می‌شود.
ویژگی‌های پیچیده فوتون‌ها و چالش‌های تصویربرداری
چرا تعیین شکل فوتون‌ها چالش‌برانگیز است؟
تعیین شکل فوتون‌ها به‌ویژه به دلیل ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها بسیار پیچیده است. به‌جای اینکه فوتون‌ها به‌طور ساده شبیه به یک جسم ملموس دیده شوند، آن‌ها یک توزیع شدت دارند که به‌طور تقریبی نشان‌دهنده نقاطی است که می‌توان انتظار داشت فوتون در آن‌ها وجود داشته باشد. این توزیع شدت، که برای اولین بار در اولین تصاویر از فوتون‌ها محاسبه شده است، نشان‌دهنده احتمال‌های مختلف برای مشاهده فوتون در مکان‌های مختلف است.
تصویرسازی دقیق فوتون‌ها: از تابع موج تا توزیع شدت
بن یوئن، یکی از نویسندگان مقاله، درباره انتشار اولین تصاویر از فوتون می‌گوید: «تصویرسازی ما دقیقاً نشان‌دهنده توزیع شدت فوتون‌ها است که بلافاصله پس از انتشار آن‌ها رخ می‌دهد.» او توضیح می‌دهد که چون فوتون‌ها ذرات کوانتومی هستند، اندازه‌گیری آن‌ها موجب تغییر وضعیت‌شان می‌شود و در نتیجه اطلاعات اولیه از بین می‌رود. اما با انجام چندین اندازه‌گیری از مکان‌های مختلف، می‌توان اولین تصاویر از فوتون‌ها را مشاهده کرد که دقیقاً این توزیع شدت را نشان می‌دهند.
تحقیق دانشگاه بیرمنگام: دستاورد تصادفی در تصویربرداری از فوتون‌ها
هدف اولیه تحقیق: بررسی تعامل فوتون‌ها با اتم‌ها
به‌رغم اینکه گروه تحقیقاتی بیرمنگام عمدتاً در پی ایجاد تصویری از فوتون‌ها نبوده‌اند، به‌طور غیرمستقیم به این دستاورد رسیده‌اند. هدف اصلی آن‌ها پاسخ به این سوال بوده است که چگونه فوتون‌ها توسط اتم‌ها و مولکول‌ها ساطع می‌شوند و چگونه محیط اطراف بر این فرایند تاثیر می‌گذارد. در نهایت، این تحقیق منجر به شبیه‌سازی اولین تصاویر از فوتون‌ها شد که می‌تواند به بهبود درک ما از نحوه تعامل نور و ماده کمک کند.
توسعه نظریه میدان کوانتومی برای شبیه‌سازی فوتون‌ها
برای تحقق این هدف، تیم تحقیقاتی ابتدا یک نسخه از نظریه میدان کوانتومی را توسعه داد که شامل تعامل فوتون‌ها با یک نانوذره سیلیکونی بود. این مطالعه به دانشمندان این امکان را داد تا توزیع شدت فوتون‌ها را بررسی کرده و نخستین تصاویر از فوتون‌ها را به‌دست آورند.
کاربردهای علمی و عملی اولین تصاویر از فوتون‌ها
چگونگی بهبود درک ما از تعامل نور و ماده
به گفته پژوهشگران، این تصاویر می‌تواند کاربردهای زیادی در حوزه‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی، محاسبات کوانتومی و حسگرها داشته باشد. این پژوهش نه‌تنها درک ما را از رفتار فوتون‌ها و تعامل آن‌ها با محیط بهبود می‌بخشد، بلکه اولین گام‌های واقعی به‌سوی تصویربرداری و شبیه‌سازی دقیق فوتون‌ها در فیزیک کوانتومی را برمی‌دارد.
تأثیرات این تحقیق در فناوری‌های آینده
این دستاورد همچنین می‌تواند به‌طور گسترده‌ای در فناوری‌های نوظهور، مانند ساخت حسگرهای حساس و بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی، استفاده شود. در حقیقت، اولین تصاویر از فوتون‌ها می‌تواند راه‌گشای طراحی ابزارهای پیشرفته‌تری برای مطالعه و استفاده از نور و فوتون‌ها در دنیای کوانتومی باشد.
کلام آخر
این پژوهش که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، درک ما را از رفتار فوتون‌ها و تعامل آن‌ها با محیط به‌شدت بهبود می‌بخشد و اولین گام‌های واقعی به‌سوی تصویربرداری و شبیه‌سازی دقیق فوتون‌ها در فیزیک کوانتومی را برمی‌دارد.
اینترنت استارلینک، پروژه ماهواره‌ای ایلان ماسک، اتصال پرسرعت به اینترنت را برای مناطق دورافتاده ممکن ساخته است. همزمان، پژوهشگران موفق به تصویربرداری از فوتون‌ها شدند، که یک گام بزرگ در فهم نور و فیزیک کوانتومی است. این دو پیشرفت، یکی در ارتباطات و دیگری در علم، آینده‌ای پیشرفته و متصل را رقم خواهند زد.
تاریخ آخرین آپدیت: 7 ماه قبل
