Bước đột phá này cho phép hình dung các photon và có thể cách mạng hóa các công nghệ nanophotonic, tăng cường giao tiếp an toàn, phát hiện mầm bệnh và kiểm soát phân tử trong các phản ứng hóa học.

Các nhà khoa học tại Đại học Birmingham, có công trình được giới thiệu trên Physical Review Letters, đã đi sâu vào hành vi phức tạp của các photon — các hạt ánh sáng riêng lẻ. Nghiên cứu của họ tiết lộ cách các photon được phát ra bởi các nguyên tử hoặc phân tử và cách hình dạng của chúng bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh.

Những thách thức và đột phá về lượng tử

Sự tương tác phức tạp này tạo ra vô số khả năng để ánh sáng tồn tại và di chuyển qua môi trường xung quanh. Tuy nhiên, tiềm năng to lớn này khiến việc mô hình hóa các tương tác này trở thành một thách thức vô cùng khó khăn — một thách thức mà các nhà vật lý lượng tử đã gắng giải quyết trong nhiều thập niên.

Bằng cách nhóm các khả năng này thành các tập hợp riêng biệt, nhóm Birmingham đã có thể tạo ra một mô hình không chỉ mô tả các tương tác giữa photon và bộ phát mà còn mô tả cách năng lượng từ tương tác đó di chuyển vào 'viễn trường'. Đồng thời, họ có thể sử dụng các phép tính của mình để tạo ra hình ảnh trực quan về chính photon.

Tác giả đầu tiên Tiến sĩ Benjamin Yuen, tại Khoa Vật lý của trường Đại học Birmingham, giải thích: "Các phép tính của chúng tôi cho phép chuyển đổi một bài toán có vẻ như không thể giải được thành thứ có thể tính toán được. Và từ mô hình, chúng tôi có thể tạo ra hình ảnh này của một photon, thứ chưa từng thấy trước đây trong vật lý".

Ý nghĩa đối với Vật lý lượng tử và Công nghệ

Công trình này rất quan trọng vì nó mở ra những hướng nghiên cứu mới cho các nhà vật lý lượng tử và khoa học vật liệu. Bằng cách có thể xác định chính xác cách một photon tương tác với vật chất và các yếu tố khác trong môi trường của nó, các nhà khoa học có thể thiết kế các công nghệ nanophotonic mới có thể thay đổi cách chúng ta giao tiếp an toàn, phát hiện mầm bệnh hoặc kiểm soát các phản ứng hóa học ở cấp độ phân tử chẳng hạn.

Đồng tác giả, Giáo sư Angela Demetriadou, cũng thuộc Đại học Birmingham, cho biết: "Hình dạng và tính chất quang học của môi trường tác động sâu sắc đối với cách phát ra photon, gồm cả xác định hình dạng, màu sắc của photon và thậm chí khả năng tồn tại của photon".

Tiến sĩ Benjamin Yuen, nói thêm: "Công trình này trước hết giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình trao đổi năng lượng giữa ánh sáng và vật chất. Sau đó là nó giúp hiểu rõ hơn về cách ánh sáng bức xạ vào môi trường xung quanh gần và xa của nó. Rất nhiều thông tin này trước đây chỉ được coi là 'nhiễu'. Nhưng giờ đây, có rất nhiều thông tin trong đó mà chúng ta có thể hiểu và sử dụng. Nhờ những kiến thức mới, chúng ta có thể đặt nền tảng để thiết kế các tương tác ánh sáng - vật chất cho các ứng dụng trong tương lai, chẳng hạn như cảm biến tốt hơn, tế bào năng lượng quang điện cải tiến hoặc máy tính lượng tử".

Anh Tú