I calcoli che esplorano le interazioni tra la luce e il materiale che la genera potrebbero rivelare dettagli senza precedenti sul contorno del fotone. Un nuovo modello sviluppato da fisici nel Regno Unito fornisce una descrizione quantistica completa del punto in cui luce e materia si incontrano, offrendo un’immagine dettagliata di come questa interazione influenzi la particella mentre si muove attraverso un intricato intreccio di campi.
“I nostri calcoli hanno permesso di risolvere un problema apparentemente insolubile”, afferma il fisico teorico Ben Yuen dell’Università di Birmingham. Grazie a questo modello, è stata creata un’immagine del fotone, mai vista prima in fisica. La natura duale del fotone, con proprietà sia di onda che di particella senza massa che si muove alla velocità della luce, rappresenta una sfida per l’immaginazione umana.
La luce, con la sua natura enigmatica, può essere descritta con precisione matematica ma manca di un’analogia conveniente nel nostro mondo di forme e colori. Tuttavia, alcune delle sue qualità possono essere tradotte in concetti familiari. All’interno del suo codice quantistico, noto come funzione d’onda, si trovano regole che definiscono l’influenza del fotone sul suo ambiente.
La luce che percepiamo quotidianamente, come quella di un cartello al neon o i raggi di sole, è il risultato di scambi tra atomi nel linguaggio dell’elettromagnetismo. Gli elettroni che si spostano emettono fotoni, unità di energia che trasportano informazioni. Il progresso tecnologico ha rivelato la complessità della propagazione della luce attraverso un Universo materiale.
Questo viaggio della luce non è più visto come un semplice trasferimento di energia, ma conserva una sorta di memoria che retroagisce lungo il suo percorso, in una dinamica non-Markoviana. La geometria e le proprietà ottiche dell’ambiente influenzano profondamente la forma, il colore e la probabilità di esistenza del fotone.
Per comprendere meglio le regole quantistiche di questo viaggio non-Markoviano del fotone, i fisici Yuen e Demetriadou hanno sviluppato un modello unico che descrive l’interazione della luce con un ambiente aperto subito dopo l’emissione da atomi in una nanoparticella di silicio. La loro teoria ha catturato con precisione la propagazione della luce e ha definito il “rumore” delle interazioni che descrivono i gradienti di intensità del campo circostante i fotoni.
“Con il crescente bisogno di tecnologie più avanzate, la comprensione delle impronte quantistiche lasciate dai fotoni diventa sempre più importante. Questo ci permette di progettare interazioni luce-materia per applicazioni future come sensori più precisi, celle fotovoltaiche migliorate o calcolo quantistico”, afferma Yuen. La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.
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