Forscher in Birmingham haben das erste Bild eines Photons erstellt, eines zitronenförmigen Lichtpartikels, das von der Oberfläche eines Nanopartikels emittiert wird. Die Theorie, die dieses Bild ermöglichte und über die am 14. November in der Zeitschrift Physical Review Letters berichtet wurde, ermöglicht es Wissenschaftlern, verschiedene Eigenschaften dieser Quantenteilchen zu berechnen und zu verstehen – was eine Reihe neuer Möglichkeiten in Bereichen wie Quantencomputing und Photovoltaikgeräten eröffnen könnte und künstliche Photosynthese.
Das Quantenverhalten von Licht ist gut belegt. Über 100 Jahre Experimente zeigen, dass es sowohl in Wellen- als auch in Teilchenform existieren kann. Unser grundlegendes Verständnis dieser Quantennatur liegt jedoch viel weiter zurück und wir haben nur ein begrenztes Verständnis dafür, wie Photonen erzeugt und emittiert werden oder wie sie sich im Raum und in der Zeit verändern.
„Wir wollen in der Lage sein, diese Prozesse zu verstehen, um diese Quantenseite zu nutzen“, sagte der Erstautor Ben Yuen, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich, in einer E-Mail gegenüber WordsSideKick.com. „Wie interagieren Licht und Materie auf dieser Ebene wirklich?“
Die Beantwortung dieser Frage bietet jedoch aufgrund der Natur des Lichts nahezu unbegrenzte Möglichkeiten. „Wir können uns ein Photon als grundlegende Anregung eines elektromagnetischen Feldes vorstellen“, erklärte Yuen. Bei diesen Feldern handelt es sich um ein Kontinuum unterschiedlicher Frequenzen, die jeweils potenziell angeregt werden können. „Man kann ein Kontinuum in kleinere Teile aufteilen und zwischen zwei beliebigen Punkten gibt es immer noch unendlich viele mögliche Punkte, die man auswählen kann“, fügte Yuen hinzu.
Das Ergebnis ist, dass die Eigenschaften eines Photons stark von den Eigenschaften seiner Umgebung abhängen, was zu einer unglaublich komplexen Mathematik führt. „Auf den ersten Blick müssten wir unendlich viele Gleichungen aufschreiben und lösen, um eine Antwort zu erhalten“, sagte Yuen.
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Um diese scheinbar unmögliche Aufgabe zu bewältigen, nutzten Yuen und Co-Autorin Angela Demetriadou, Professorin für theoretische Nanophotonik an der Universität Birmingham, einen cleveren mathematischen Trick, um die Gleichungen drastisch zu vereinfachen.
Die Einführung imaginärer Zahlen – Vielfache der unmöglichen Quadratwurzel von -1 – ist ein leistungsstarkes Werkzeug beim Umgang mit komplexen Gleichungen. Durch die Manipulation dieser imaginären Komponenten können sich viele der schwierigen Terme in der Gleichung gegenseitig aufheben. Vorausgesetzt, dass alle imaginären Zahlen vor Erreichen der Lösung wieder in reelle Zahlen umgewandelt werden, bleibt die Berechnung viel einfacher zu handhaben.
„Wir haben dieses Kontinuum realer Frequenzen in einen diskreten Satz komplexer Frequenzen umgewandelt“, erklärte Yuen. „Auf diese Weise vereinfachen wir die Gleichungen von einem Kontinuum in eine diskrete Menge, die wir verarbeiten können. Wir können diese in einen Computer eingeben und lösen.“
Das Team nutzte diese neuen Berechnungen, um die Eigenschaften eines von der Oberfläche eines Nanopartikels emittierten Photons zu modellieren und die Wechselwirkungen mit dem Emitter sowie die Ausbreitung des Photons von der Quelle zu beschreiben. Aus diesen Ergebnissen erstellte das Team das erste Bild eines Photons, eines zitronenförmigen Teilchens, das in der Physik noch nie zuvor gesehen wurde.
Yuen betonte jedoch, dass es sich lediglich um die Form eines unter diesen Bedingungen erzeugten Photons handele. „Die Form ändert sich vollständig mit der Umgebung“, sagte er. „Das ist wirklich der Sinn der Nanophotonik, dass wir durch die Gestaltung der Umgebung das Photon selbst wirklich formen können.“
Die Berechnungen des Teams liefern einen grundlegenden Einblick in die Eigenschaften dieses Quantenteilchens – Erkenntnisse, von denen Yuen glaubt, dass sie Physikern, Chemikern und Biologen gleichermaßen neue Forschungsrichtungen eröffnen werden.
„Wir könnten über optoelektronische Geräte, Photochemie, Lichtsammlung und Photovoltaik nachdenken, über Photosynthese, Biosensoren und Quantenkommunikation“, sagte Yuen. „Und es wird eine ganze Reihe unbekannter Anwendungen geben. Durch die Umsetzung dieser wirklich grundlegenden Theorie eröffnen sich neue Möglichkeiten in anderen Bereichen.“
