La ricerca condotta presso l’Università di Birmingham, pubblicata su Physical Review Letters, esplora la natura dei fotoni (particelle individuali di luce) in un dettaglio senza precedenti, mostrando come essi vengano emessi da atomi o molecole e plasmati dal loro ambiente.
Fotone: cos’è in breve
Un fotone è la particella elementare che costituisce la luce e tutte le altre forme di radiazione elettromagnetica; esso è un quanto di energia, il ché significa che trasporta una quantità discreta di energia proporzionale alla frequenza della radiazione.
I fotoni sono privi di massa a riposo, si muovono sempre alla velocità della luce (circa 300.000 km/s nel vuoto) e hanno proprietà sia ondulatorie che corpuscolari, un concetto noto come dualismo onda-particella.
La natura dei fotoni alla luce della nuova scoperta
La natura di questa interazione dà origine a possibilità infinite per l’esistenza e la propagazione della luce nel suo ambiente circostante; tuttavia, questa vastità di possibilità rende le interazioni estremamente difficili da modellare, rappresentando una sfida su cui i fisici quantistici lavorano da diversi decenni.
Raggruppando queste possibilità in insiemi distinti, la squadra di ricerca scientifica di Birmingham è riuscita a produrre un modello che descrive non solo le interazioni tra il fotone e l’emettitore, ma anche come l’energia derivante da tale interazione si diffonda nel cosiddetto “campo lontano” (far field).
Cosa rivelano i calcoli relativi ai fotoni e perché questa scoperta è importante
Allo stesso tempo, i ricercatori hanno utilizzato i loro calcoli per creare una visualizzazione del fotone stesso.
Il primo autore dello studio, il Dr. Benjamin Yuen, della Scuola di Fisica e Astronomia dell’Università, ha spiegato: “I nostri calcoli ci hanno permesso di trasformare un problema apparentemente insolubile in qualcosa di calcolabile. E, quasi come sottoprodotto del modello, siamo riusciti a produrre questa immagine di un fotone, qualcosa che non era mai stato visto prima in fisica.”
Questo lavoro è importante perché apre nuove strade di ricerca per i fisici quantistici e per la scienza dei materiali ed essendo in grado di definire con precisione come un fotone interagisce con la materia e con altri elementi del suo ambiente, gli scienziati possono progettare nuove tecnologie nanofotoniche che potrebbero rivoluzionare il modo in cui comunichiamo in sicurezza, rileviamo agenti patogeni o controlliamo reazioni chimiche a livello molecolare, ad esempio.
La co-autrice, la Professoressa Angela Demetriadou, anch’essa dell’Università di Birmingham, ha affermato: “La geometria e le proprietà ottiche dell’ambiente hanno conseguenze profonde su come i fotoni vengono emessi, inclusa la definizione della loro forma, del loro colore e persino della probabilità che essi esistano.”
Il Dr. Benjamin Yuen ha aggiunto: “Questo lavoro ci aiuta ad aumentare la nostra comprensione dello scambio di energia tra luce e materia e, in secondo luogo, a capire meglio come la luce si irraggia nelle sue vicinanze e nei suoi dintorni lontani. Molte di queste informazioni erano precedentemente considerate semplicemente ‘rumore’, ma ora possiamo dar loro un senso e sfruttarle. Comprendendo questo, poniamo le basi per ingegnerizzare le interazioni luce-materia per applicazioni future, come sensori più avanzati, celle fotovoltaiche migliorate o il calcolo quantistico.”
Perché questo studio sui fotoni è importante
Questo studio sui fotoni è importante perché fornisce una comprensione più profonda dei meccanismi fondamentali che governano le interazioni tra luce e materia, aprendo la strada a una vasta gamma di applicazioni tecnologiche e scientifiche.
La capacità di modellare e visualizzare con precisione un fotone, una delle particelle fondamentali dell’universo, rappresenta un passo avanti cruciale nella fisica quantistica e comprendere meglio come la luce si comporta e interagisce con il suo ambiente può portare allo sviluppo di tecnologie all’avanguardia, come sistemi di comunicazione sicuri basati sulla crittografia quantistica, sensori ultracompatti per rilevare sostanze chimiche o agenti patogeni, e dispositivi per la conversione energetica più efficienti.
Tra le altre cose queste conoscenze potrebbero rivoluzionare settori emergenti come il calcolo quantistico, rendendo possibile un controllo senza precedenti delle interazioni tra luce e materia a livello molecolare.
