Ánh sáng có hình dạng gì?

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Birmingham (Anh) đã tạo ra hình ảnh đầu tiên về một photon có hình dạng giống quả chanh, phát ra từ bề mặt của một hạt nano.

Kết quả này, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, cung cấp cái nhìn mới về các tính chất lượng tử của ánh sáng, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như điện toán lượng tử, thiết bị quang điện, và quang hợp nhân tạo.

Ánh sáng từ lâu đã được biết đến với bản chất kép, vừa là sóng vừa là hạt. Tuy nhiên, hiểu biết về các photon - hạt cơ bản của ánh sáng - vẫn còn nhiều hạn chế. Chúng ta biết rất ít về cách photon được tạo ra hoặc cách chúng thay đổi trong không gian và thời gian.

Ben Yuen, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết mục tiêu chính là tìm hiểu cách ánh sáng tương tác với vật chất ở cấp độ lượng tử. Ông chia sẻ: "Chúng ta có thể coi photon như sự kích thích cơ bản của trường điện từ - một chuỗi các tần số liên tục. Tuy nhiên, việc phân tích chi tiết chuỗi liên tục này là một thách thức lớn vì số lượng phép tính gần như vô tận".

Để vượt qua thử thách này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một thủ thuật toán học giúp đơn giản hóa các phương trình lượng tử. Thay vì xử lý một chuỗi liên tục phức tạp, họ chuyển đổi nó thành một tập hợp rời rạc, dễ dàng xử lý bằng máy tính.

Kỹ thuật này cho phép họ mô hình hóa đặc tính của photon phát ra từ bề mặt hạt nano, mô tả chi tiết cách photon tương tác với các nguồn phát và truyền ra khỏi nguồn. Kết quả là hình ảnh đầu tiên của một photon - có hình dạng giống quả chanh - được công bố, mở ra một khám phá mới trong vật lý lượng tử.

Ông Yuen nhấn mạnh rằng hình dạng "quả chanh" chỉ áp dụng trong điều kiện phòng thí nghiệm cụ thể.

"Hình dạng photon thay đổi hoàn toàn tùy thuộc vào môi trường xung quanh. Đây chính là mấu chốt của quang tử nano - bằng cách định hình môi trường, chúng ta có thể định hình chính photon".

Phát hiện này không chỉ mở rộng hiểu biết về photon mà còn tạo cơ hội phát triển các công nghệ mới.

"Từ thiết bị quang điện tử, cảm biến sinh học đến giao tiếp lượng tử, nghiên cứu này có thể dẫn đến nhiều ứng dụng mới. Hiểu biết cơ bản về photon sẽ trở thành chìa khóa mở ra khả năng đột phá trong vật lý, hóa học và sinh học", ông Yuen gợi ý.

Nghiên cứu này đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc khám phá bản chất lượng tử của ánh sáng, hứa hẹn những ứng dụng đột phá không chỉ trong vật lý mà còn ở nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác.