Đột phá: Các nhà khoa học đã chụp được hình ảnh photon!

Theo Genk, các nhà khoa học tại Đại học Birmingham đã tạo nên một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu ánh sáng: lần đầu tiên, họ chụp được hình ảnh chi tiết của một photon – hạt ánh sáng đơn lẻ. Phát hiện đáng chú ý này không chỉ mang đến cái nhìn trực quan về photon mà còn mở ra một kỷ nguyên mới trong việc hiểu cách ánh sáng hoạt động ở cấp độ lượng tử.

Hình ảnh chụp được cho thấy photon có hình dạng giống như một quả chanh khi được phát ra từ các hạt nano. Khám phá này, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters , mang ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu ánh sáng ở quy mô nhỏ nhất. Hình dạng photon không cố định mà thay đổi tùy theo môi trường xung quanh – một phát hiện có tiềm năng thay đổi cách chúng ta hiểu về nanophotonics, lĩnh vực nghiên cứu cách ánh sáng hoạt động ở cấp độ cực nhỏ.

“Bằng cách định hình môi trường, chúng ta thực sự có thể định hình photon”, Ben Yuen, nhà nghiên cứu chính của dự án, giải thích.

Từ lâu, ánh sáng đã được biết đến với bản chất kép: vừa là sóng, vừa là hạt. Mặc dù các thí nghiệm đã chứng minh điều này hơn một thế kỷ qua, nhưng việc hiểu chi tiết các tính chất lượng tử của ánh sáng – chẳng hạn cách photon di chuyển và tương tác với vật chất – vẫn còn nhiều thách thức.

“Chúng tôi muốn khám phá cách ánh sáng và vật chất thực sự tương tác ở cấp độ này”, Yuen nói. Đây là một bước tiến cần thiết để khai thác các tiềm năng lượng tử của ánh sáng, từ việc ứng dụng trong công nghệ cho đến việc giải quyết các câu hỏi khoa học cơ bản.

Photon là một kích thích cơ bản của trường điện từ và chứa vô số tần số có thể bị kích thích, khiến các phép tính toán học liên quan trở nên cực kỳ phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, Yuen và Giáo sư Angela Demetriadou đã phát triển một phương pháp toán học sáng tạo dựa trên các số ảo, bao gồm cả căn bậc hai của -1.

Kỹ thuật này giúp đơn giản hóa các phương trình phức tạp, biến vô số khả năng thành các phép tính có thể quản lý được. Với sự hỗ trợ của máy tính, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng và hình dung photon một cách chi tiết.

Hơn cả một bước đột phá về hình ảnh, nghiên cứu này mang đến một khung lý thuyết mới để hiểu cách các photon tương tác với vật chất. Điều này không chỉ giúp giới khoa học tiến xa hơn trong lĩnh vực ánh sáng lượng tử mà còn tạo nền tảng để phát triển một thế hệ công nghệ hoàn toàn mới.

Khả năng kiểm soát và định hình photon có thể cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng ánh sáng, từ việc cải thiện các phản ứng hóa học ở cấp độ phân tử đến việc xây dựng các hệ thống năng lượng hiệu quả hơn.