Lichtforschung: Erste visualisierte Form eines einzelnen Photons

Die Wissenschaft hat einen bemerkenswerten Fortschritt erzielt – eine direkte Visualisierung der Form eines Photons wurde erfolgreich geschaffen. Trotz der Unmöglichkeit, diese Lichtteilchen durch traditionelle Fotografie einzufangen, haben Physiker an der Universität Birmingham ihre Wellenfunktion berechnet. Das Ergebnis – ein präzises Bild eines Photons während seiner Emission.

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Lichtforschung: Erste visualisierte Form eines einzelnen Photons

26. November 2024 von   Kategorie: Wissenschaft
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Bild: So soll ein Photon nach neusten Kenntnissen aussehen

Die Bedeutung von Photonen für die Wahrnehmung


Photonen sind entscheidend für das Sehen, sowohl mit unseren Augen als auch mit Kameras. Diese Partikel transportieren Informationen über ihre Herkunft. Wenn sie die Netzhaut oder die Sensorsysteme erreichen, konstruieren unser Gehirn oder die Kamera ein Bild des Gesehenen. Ein faszinierender Aspekt der Photonen bleibt jedoch unbeachtet: Sie können keine Bilder von anderen Photonen erzeugen. Ein Grund dafür ist, dass sie nicht miteinander interagieren.

Mathematische Visualisierung der Photonform


Die Physiker aus Birmingham haben eine mathematisch exakte Visualisierung der Form eines Photons erschaffen. Ben Yuen, einer der Co-Autoren, erklärte: „Die Visualisierung ist eine exakte Simulation eines Photons, das von einem Atom auf der Oberfläche eines Nanopartikels emittiert wird.“ Die Interaktion mit dem Nanopartikel beeinflusst die Form des Photons entscheidend. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit seiner Emission um das Tausendfache und ermöglicht sogar eine mehrfache Reabsorption durch das Atom.

Intensitätsverteilung: Die wahre Form eines Photons


Das Konzept der "Form" eines Photons ist komplex. Es handelt sich nicht um eine physische Erscheinung wie bei herkömmlichen Objekten. Stattdessen beschreibt die Form die Intensitätsverteilung – also eine Art Karte, die angibt, wo zu einem bestimmten Zeitpunkt die höchste Wahrscheinlichkeit besteht, ein Photon zu finden. Brighter Bereiche zeigen eine höhere Wahrscheinlichkeit an.

Die Visualisierung, die Yuen und sein Team erstellt haben, spiegelt genau diese Verteilung wider, kurz nachdem das Photon emittiert wurde. Ein faszinierender Aspekt der Quantenmechanik ist, dass alle detaillierten Informationen dieser Intensitätsverteilung in der sogenannten "Wellenfunktion" bereits existieren, bevor das Photon überhaupt gemessen werden kann.

Hintergrund und Entstehung der Studie


Die Frage, warum diese Art der Visualisierung bisher nicht möglich war, lässt die Neugier steigen. Yuen und seine Kollegin Angela Demetriadou waren nicht aktiv auf der Suche danach. Vielmehr ergab sich die Visualisierung zufällig durch eine umfassendere Studie. „Wir wollten herausfinden, wie Photonen wirklich von Atomen und Molekülen emittiert werden“, so Yuen. Es war nur möglich, in einem perfekten Vakuum mit einem einzelnen Atom oder Molekül zu modellieren. Die Wechselwirkungen mit der Umgebung blieben jedoch unvollständig und wurden lange Zeit nicht präzise erfasst.

Die Anwendung der Quantenfeldtheorie


Um zu einer Lösung zu gelangen, entwickelte das Team eine Version der Quantenfeldtheorie, die ein Silizium-Nanopartikel einbezieht, das mit Photonen interagiert. Da unendlich viele Möglichkeiten zur Wechselwirkung bestehen, stießen die Forscher auf Herausforderungen. Dennoch entdeckten sie mit Hilfe komplexer Mathematik den Weg zur Vereinfachung des Problems: „Wir wandten eine Branch der Mathematik namens komplexe Analyse an, um das Problem von einer kontinuierlichen Basis reeller Zahlen in eine diskrete Basis spezifischer komplexer Zahlen zu transformieren“, berichtete Yuen.

Die Ergebnisse und deren Relevanz


Diese Herangehensweise ermöglichte es, die Interaktionen von Licht und Materie genau zu repräsentieren. Eine Vielzahl von Details zur Ausbreitung des Lichts und zur Intensitätsverteilung der Photonen fiel dabei auf erstaunliche Weise aus der Theorie heraus.

Letztlich könnte diese Arbeit unsere grundlegende Vorstellung davon, wie Licht und Materie interagieren, revolutionieren. Potenzielle Anwendungen liegen in Bereichen wie Solarzellen, Quantencomputing und Sensoren. Die Ergebnisse dieser Studie könnten bedeutende Fortschritte in der Technologie und unserer Verständnis der fundamentalen Physik inspirieren.


Quelle: DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.203604