Teoria incrível revela acidentalmente a forma precisa de um fóton: WebCuriosos

Cálculos destinados a sentir as interações entre a luz e o material que a produz podem inadvertidamente descrever o contorno do fóton, revelando a sua forma com detalhes sem precedentes.

Um novo modelo, desenvolvido por físicos no Reino Unido, fornece uma descrição quântica completa do ponto em que a luz e a matéria se envolvem, mantendo uma imagem de como essa interação continua a afetar a partícula à medida que ela passa por um emaranhado de campos.

“Nossos cálculos nos permitiram converter um problema aparentemente insolúvel em algo que pode ser computado”, diz físico teórico Ben Yuen, da Universidade de Birmingham.

“E, quase como um subproduto do modelo, conseguimos produzir esta imagem de um fóton, algo que nunca foi visto antes na física”.

Com propriedades tanto de uma onda ondulando através de um oceano intangível quanto de um objeto sem massa avançando no próprio limite da velocidade, a natureza dual do fóton desafia nossa imaginação.

A sua existência é um enigma, algo que pode ser representado com incrível precisão pela matemática da probabilidade, mas não tem nenhuma analogia conveniente que possamos usar para imaginar como seria no nosso mundo de formas, tamanhos e cores.

No entanto, algumas das qualidades da luz podem traduzir-se em algo familiar. Dentro de sua codificação quântica – conhecida como sua função de onda – existem regras que ditam os limites da influência do fóton em seu ambiente.

O que experimentamos como o brilho pálido de uma placa de néon ou raios de sol num dia de verão são trocas entre átomos na linguagem do eletromagnetismo. À medida que os elétrons mudam em suas órbitas, eles gritam em unidades correspondentes de energia conhecidas como fótons.

As melhorias na nossa capacidade tecnológica de restringir e orientar esta conversa eletromagnética revelaram complexidades incríveis na passagem da luz através de um Universo material.

Esta viagem já não pode ser entendida como uma passagem de energia num só sentido, desde um ponto de emissão até um destino; em vez disso, sua natureza quântica preserva um tipo de memória que continua a retroalimentar-se ao longo de seu caminho, no que os físicos chamam de memória. dinâmica não-Markoviana.

“A geometria e as propriedades ópticas do ambiente têm consequências profundas na forma como os fótons são emitidos, incluindo a definição da forma, da cor do fóton e até mesmo da probabilidade de sua existência.” diz A física teórica da Universidade de Birmingham, Angela Demetriadou.

Para entender melhor essas regras quânticas da viagem não-Markoviana de um fóton através do tempo e da matéria, Yuen e Demetriadou desenvolveram um modelo único que descrevia o tipo de ambiente aberto com o qual a luz se envolveria imediatamente após ser emitida por átomos em uma nanopartícula de silício.

Sua teoria básica não apenas pareceu capturar a propagação da luz desde seu ponto inicial com uma precisão sem precedentes, mas também encontrou definição no “barulho“de interações que descreveram com precisão gradientes de intensidade do campo ao redor dos quanta de luz.

À medida que aumenta o nosso desejo por tecnologias mais pequenas, mais rápidas, mais precisas e mais sensíveis, a nossa necessidade de prever com precisão as pegadas quânticas que os fotões deixam no seu rasto tornar-se-á cada vez mais importante.

“Ao entender isso, estabelecemos as bases para podermos projetar interações luz-matéria para aplicações futuras, como sensores melhores, células de energia fotovoltaica aprimoradas ou computação quântica.” diz Yuen.

Esta pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.