Nell’ambito della fisica quantistica, i ricercatori di Birmingham hanno rivoluzionato le nostre percezioni illustrando per la prima volta un fotone, una particella di luce dalla forma simile a un limone, emessa dalla superficie di una nanoparticella. La teoria alla base di questa scoperta, pubblicata il 14 novembre sulla rivista Physical Review Letters, permette ai scienziati di calcolare e comprendere diverse proprietà di queste particelle quantistiche, aprendo a nuove possibilità in settori come il calcolo quantistico, i dispositivi fotovoltaici e la fotosintesi artificiale. Il comportamento quantistico della luce è ben compreso, con oltre 100 anni di esperimenti che dimostrano come essa possa esistere sia in forma d’onda sia in forma di particella. Tuttavia, la comprensione fondamentale di questa natura quantistica rimane limitata, con solo una parziale conoscenza di come i fotoni vengano creati ed emessi, o di come essi si trasformino attraverso spazio e tempo. “Vogliamo riuscire a capire questi processi per sfruttare l’aspetto quantistico,” affermano gli esperti. “In che modo luce e materia interagiscono veramente a questo livello?”
Tuttavia, la natura stessa della luce implica che la risposta a questa domanda abbia possibilità praticamente illimitate. “Possiamo considerare un fotone come un’eccitazione fondamentale di un campo elettromagnetico,” spiegano. Questi campi formano un continuum di diverse frequenze, ciascuna delle quali potrebbe potenzialmente eccitarsi. “Puoi suddividere un continuum in parti più piccole e, tra due punti qualsiasi, ci sono ancora un numero infinito di punti possibili che potresti scegliere.”
Ne consegue che le proprietà di un fotone dipendono fortemente da quelle del suo ambiente, il che conduce a matematiche incredibilmente complesse. “A prima vista, dovremmo scrivere e risolvere un numero infinito di equazioni per arrivare a una risposta,” è stata l’osservazione formulata.
Per affrontare questo compito apparentemente impossibile, i ricercatori hanno utilizzato un astuto trucco matematico per semplificare drasticamente le equazioni. L’introduzione dei numeri immaginari — multipli della radice quadrata impossibile di -1 — si rivela uno strumento potente quando si devono gestire equazioni complesse. Manipolare questi componenti immaginari consente di eliminare gran parte dei termini difficili nell’equazione. A patto che tutti i numeri immaginari siano riconvertiti in numeri reali prima di arrivare alla soluzione, ciò conduce a calcoli molto più gestibili. “Abbiamo trasformato quel continuum di frequenze reali in un insieme discreto di frequenze complesse,” hanno spiegato. “In questo modo, semplifichiamo le equazioni da un continuum a un insieme discreto che possiamo gestire. Possiamo immetterle in un computer e risolverle.”
Il team ha utilizzato questi nuovi calcoli per modellare le proprietà di un fotone emesso dalla superficie di una nanoparticella, descrivendo le interazioni con l’emettitore e come il fotone si propagasse lontano dalla sorgente. Da questi risultati, il team ha generato la prima immagine di un fotone, una particella a forma di limone mai vista prima in fisica.
Tuttavia, è importante notare che questa rappresentazione è valida solo sotto queste condizioni specifiche. “La forma cambia completamente in base all’ambiente,” viene sottolineato. “Questo è il reale punto della nanofotonica: plasmando l’ambiente, possiamo davvero modellare il fotone stesso.”
Le calcolazioni del team offrono una comprensione fondamentale delle proprietà di questa particella quantistica — una conoscenza che aprirà nuove linee di ricerca per fisici, chimici e biologi. “Possiamo riflettere su dispositivi optoelettronici, fotocinematica, raccolta di luce e fotovoltaici, comprensione della fotosintesi, biosensori e comunicazione quantistica,” affermano. “E ci saranno una serie di applicazioni sconosciute. Attraverso questo tipo di teoria fondamentale, si sbloccano nuove possibilità in altri campi.”