نجح العلماء بتحديد شكل الفوتون الواحد، ووضع الباحثون نماذج للتفاعلات بين جزيئات الضوء والمادة.
طور باحثون من جامعة برمنغهام في المملكة المتحدة نموذجًا حاسوبيًا مثيرًا للاهتمام، وذلك بهدف فهم كيفية تفاعل الضوء مع المادة.
كانت هذه المهمة صعبة للغاية، لكن الفريق تمكن من تطوير استراتيجية لتبسيط المشكلة، وبذلك نجح في إنشاء شيء فريد وهو صورة تمثل الشكل الدقيق لفوتون واحد.
الفوتون هو جسيم من الضوء، يوجد كل من الضوء والمادة على شكل جسيم وموجة. كان اكتشاف هذه الثنائية هو الحل لآلاف السنوات من الجدل، وذلك عندما أصبح واضحًا عن طريق التجارب أن الضوء ينتشر على شكل موجة، ولكن قد يُوصف بحزم منفصلة من الطاقة، بما يسمى الفوتونات.
إن التفاعل الحاصل بين الفوتونات الفردية والمادة مهم جدًا في ميكانيكا الكم، فهو يقود مجموعة من الآليات المختلفة، بعضها أساسي للعديد من التقنيات التي يتفاعل البشر معها يوميًا. كان فهم هذا التفاعل مهمة مضنية، فإن الضوء الذي ينتشر عبر البيئة يحمل احتمالات لا حصر لها من التفاعل.
أخذ الفريق هذا النطاق المستمر من الاحتمالات وبسَّطه عبر إنشاء مجموعة منفصلة، إذ تمكن بهذه الطريقة من نمذجة التفاعل بين الباعث والفوتون بهذه الطريقة، وكذلك كيفية انتقال الفوتون إلى حقل بعيد.
تمكنت الحسابات أيضًا من توفير فهم بياني لشكل الفوتون.
قال الدكتور بنيامين يوين، المؤلف الأول للورقة البحثية في بيان له: «لقد مكنتنا حساباتنا من تحويل مشكلة تبدو غير قابلة للحل إلى معادلة بالإمكان حسابها، وبنتيجة أولية للنموذج تقريبًا، تمكنا من إنتاج هذه الصورة للفوتون، وهو شيء غير مسبوق في الفيزياء».
لهذا العمل النظري تطبيقات في عدة مجالات، من الفيزياء إلى علم المواد.
إن التقنيات التي تتطلب تفاعلات بين الضوء والمادة، من الاتصالات السلكية واللاسلكية إلى الأجهزة الطبية عن طريق التحكم بالتفاعل الكيميائي على المستوى الجزيئي، قد تستفيد من معرفة كيفية حدوث ذلك.
أوضحت المؤلفة المشاركة البروفيسورة أنجيلا ديميتريادو قائلة: «إن للهندسة وخصائص البيئة البصرية عواقب وخيمة على كيفية انبعاث الفوتونات، بما في ذلك تحديد شكل الفوتونات ولونها، وحتى مدى احتمالية وجودها».
اختتم الدكتور يوين قائلًا: «يساعدنا هذا العمل أولًا على زيادة فهمنا لتبادل الطاقة بين الضوء والمادة، وثانيًا، يقدم فهمًا أفضل لكيفية إشعاع الضوء في محيطه القريب والبعيد. كان يُنظر إلى الكثير من المعلومات سابقًا على أنها مجرد ضوضاء، ولكن هناك الكثير من المعلومات بداخلها التي نستطيع الآن فهمها والاستفادة منها. عن طريق فهم هذا نضع الأسس اللازمة لنكون قادرين على هندسة تفاعلات الضوء المادة للتطبيقات المستقبلية، مثل مجسات وأجهزة الاستشعار الأدق، أو خلايا الطاقة الكهروضوئية المحسنة، أو الحوسبة الكمومية».
اقرأ أيضًا:
الفوتونات المظلمة قد تحل أحد أعظم ألغاز الكون
النجاح في جعل الفوتون يعبر في الزمن إلى الوراء وإلى الأمام بشكل متزامن
ترجمة: سليمان عبد المنعم
تدقيق: نور حمود
مراجعة: باسل حميدي
