Per la prima volta nella storia della fisica, i ricercatori dell’Università di Birmingham hanno creato una visualizzazione accurata della forma di un fotone. Queste particelle di luce, che sono fondamentali per la nostra percezione visiva e per le telecamere, sono sempre state impossibili da fotografare. Tuttavia, grazie a un innovativo approccio teorico, i fisici sono riusciti a ricostruire matematicamente la loro funzione d’onda, permettendo la realizzazione di una rappresentazione precisa del fotone mentre viene emesso.
I fotoni sono ciò che rende possibile la vista, sia umana che artificiale. Quando raggiungono la retina o i sensori di una fotocamera, portano con sé informazioni cruciali sulla sorgente da cui provengono o sugli oggetti con cui interagiscono. Tuttavia, fino ad oggi, non era stato possibile visualizzare un fotone in maniera diretta. Questo perché i fotoni, pur essendo particelle, non interagiscono tra loro in modo che permetta loro di “fotografarsi” o essere fotografati, come accade invece con oggetti più tangibili.
I fisici che hanno realizzato questa scoperta hanno utilizzato un approccio rivoluzionario. Ben Yuen, coautore dello studio, spiega che la visualizzazione rappresenta una simulazione esatta di un fotone emesso da un atomo che si trova sulla superficie di una nanoparticella. “La forma del fotone è profondamente influenzata dalla nanoparticella”, afferma Yuen, “rendendo molto più probabile che il fotone venga emesso e, in alcuni casi, anche riassorbito dall’atomo”.
La “forma” di un fotone, tuttavia, non è come quella di un oggetto solido e tangibile. Invece, si tratta di una distribuzione di intensità, una mappa che indica dove è più probabile trovare un fotone in un dato momento. Le aree più luminose rappresentano i punti in cui è più probabile che un fotone venga rilevato, fornendo così una visione “statistica” di dove un fotone potrebbe trovarsi.
Una delle principali scoperte di questo studio è che prima ancora che il fotone venga rilevato, la distribuzione di intensità che lo descrive esiste già sotto forma di una “funzione d’onda”. È grazie a questa funzione che i ricercatori sono riusciti a creare la prima immagine visibile di un fotone, senza mai misurarlo direttamente, evitando così di distruggerlo nel processo.
Il lavoro degli scienziati, tuttavia, non si è concentrato solo sulla visualizzazione del fotone, ma ha affrontato una questione fondamentale: come vengono emessi i fotoni dagli atomi e come l’ambiente circostante influisce su questo processo. Per indagare questo aspetto, il team ha sviluppato un modello teorico che include una nanoparticella di silicio interagente con la luce. La complessità del problema, che prevedeva infinite possibilità di interazioni, è stata semplificata grazie all’uso della matematica avanzata, in particolare l’analisi complessa.
L’approccio adottato ha consentito ai ricercatori di rappresentare il fotone e le sue interazioni in modo preciso e dettagliato, svelando nuovi aspetti del comportamento della luce e della sua interazione con la materia. Questo potrebbe portare a importanti applicazioni in vari campi, come l’energia solare, l’informatica quantistica e i sensori avanzati.
Questa scoperta segna un passo fondamentale per la comprensione dei fotoni e del loro comportamento. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, e rappresenta un importante contributo alla fisica quantistica e alle sue future applicazioni.
https://www.birmingham.ac.uk/news/2024/new-theory-reveals-the-shape-of-a-single-photon
