Fizik tarihinde bir ilk: Fotonun şekli

Bilim insanları ilk kez bir fotonun şeklini tanımlamayı başardı. İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi tarafından yürütülen çalışma, fotonların çevreleri ve yayıldıkları atomlarla nasıl etkileşime girdiklerini modellemeye odaklandı. Dr. Benjamin Yuen ve Prof. Angela Demetriadou tarafından yürütülen çalışmanın sonuçlarını içeren makale, 18 Kasım 2024 tarihinde Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.

Araştırmacılar, kuantum seviyesinde ışık ve madde arasındaki karmaşık ilişkileri anlamak için yeni bir teori geliştirdi. Bu teori, bir fotonun yayıldığı ortamın geometrisinin ve optik özelliklerinin fotonun şekli, rengi ve var olma olasılığı üzerinde büyük bir etkisi olduğunu ortaya koydu. Elde edilen model, fotonun yayıldığı uzak alanlara kadar enerji yayılımını açıklıyor ve görselleştirilmesini sağlıyor.

Çalışmanın baş yazarı Dr. Benjamin Yuen, Birmingham Üniversitesi bülteninde fotonların şeklini görselleştirme sürecini “daha önce çözülemez olarak düşünülen bir problemi hesaplanabilir hale dönüştürmek” olarak nitelendirdi. Çalışmanın bulguları, kuantum iletişim, moleküler düzeyde kimyasal tepkimelerin kontrolü ve hassas algılama gibi alanlarda nanofotonik teknolojilerin geliştirilmesi için önemli bir temel oluşturuyor.

Nedir bu foton?

Foton, ışığın ve diğer elektromanyetik dalgaların en küçük birimi olarak tanımlanıyor ve aynı zamanda kuantum mekaniği çerçevesinde düşünüldüğünde enerji taşıyan bir form olarak nitelendiriliyor. Fotonların kütlesiz olması ve ışık hızında hareket etmesi, onları hem dalga hem de parçacık özelliklerini aynı anda göstermesine neden oluyor. Fotonların enerjileri frekanslarına bağlı olduğundan, bu durum onları çevrelerindeki atomlar ve moleküllerle farklı şekillerde etkileşim kurmaya itiyor.

Kuantum seviyesinde ışık ve madde arasındaki ilişki, enerji ve momentumun atomik seviyede değiş tokuşu ile ifade ediliyor. Fotonlar, bir atom ya da molekülden yayıldıklarında çevrelerinin optik özelliklerine ve geometrik yapısına göre şekilleniyor. Bu etkileşim süreci, fotonların şeklini, rengini ve hatta var olma olasılığını belirliyor. Ancak bu sürecin karmaşıklığı, modellenmesini oldukça  zorlaştırıyor.

Yeni çalışma kapsamında, Birmingham Üniversitesi araştırmacıları, bu karmaşık etkileşimleri analiz edebilmek için yeni bir model geliştirdi. Model, fotonların atomlarla olan ilişkisini ve yayıldıktan sonra “uzak alan” (far field) olarak adlandırılan bölgeye nasıl ulaştığını hesaplıyor. Bu model, daha önce “gürültü” (noise) olarak kabul edilen bilgileri anlamlı hale getiriyor. Böylece fotonların görselleştirilmesini ve enerji yayılımlarının detaylı şekilde incelenmesini mümkün kılıyor.

Araştırmacılar, bu bulgularla fotonların ışık-madde etkileşimlerini daha iyi anlamayı ve bu etkileşimleri çeşitli teknolojilerde kullanmayı hedefliyor. Bu, özellikle kuantum iletişim, hassas algılama sistemleri ve güneş enerjisi hücrelerinin geliştirilmesi gibi alanlarda potansiyel yenilikler sağlıyor.

Kaynak: Physical  Review Letters