Nghiên cứu: Lần đầu xác định được hình dạng của photon

Một công bố nghiên cứu mới đáng chú ý mô tả hình dạng của photon (hạt ánh sáng) –  dạng năng lượng nhỏ nhất trong trường điện từ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters vào ngày 14/11/2024, mô tả một cách chi tiết cách photon được phát ra bởi nguyên tử và bị ảnh hưởng bởi môi trường của chúng. Mặc dù có vô số khả năng về cách thức mà các tương tác này xảy ra, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã phát triển một phương pháp thực tế để dự đoán chúng.

“Các phép tính của chúng tôi biến một vấn đề dường như không thể giải quyết thành một thứ có thể tính toán được”, nhà vật lý Benjamin Yuen tại Đại học Birmingham (Anh) là tác giả chính của nghiên cứu cho biết, “Và, gần như là một phát hiện ngoài chủ ý trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã có thể tạo ra hình ảnh photon đó – điều  mà trong vật lý chưa từng biết”.

Hình dạng của photon

Tạo hình dạng cụ thể cho photon là nhiệm vụ khó khăn, vì những hạt cơ bản không có khối lượng này có biểu hiện tính hai mặt vừa dạng sóng vừa dạng hạt – một đặc điểm kỳ lạ của vật thể cực nhỏ trong lĩnh vực lượng tử bị chi phối bởi tính bất định đầy bí ẩn.

Lâu nay giới khoa học thấy rằng photon có thể thể hiện các đặc tính của dạng hạt và cũng có dạng sóng – tùy thuộc vào cách nhìn. Ngoài ra, photon cũng được hiểu là một loại kích thích trong trường điện từ, hoặc dạng như gợn sóng của năng lượng rời rạc.

Tóm lại rất khó nắm bắt dạng thức cụ thể của photon. Tính phức tạp của vấn đề là có vô số cách mà ánh sáng tương tác với môi trường xung quanh và các nguyên tử phát ra chúng. Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết họ có thể bỏ qua vấn đề đó bằng cách áp dụng cơ học cổ điển để đơn giản hóa các khả năng thành các tập hợp rời rạc – hoặc chia chúng thành các mô hình giả (pseudo-mode) – từ đó đơn giản hóa suy nghĩ về tương tác photon.

Có ý nghĩa quan trọng

Theo các nhà nghiên cứu, lợi thế của việc mô hình hóa photon theo cách này là có thể mô tả chính xác cách các hạt nhỏ này làm sao đi vào các vùng xa của trường điện từ xung quanh vật thể được xem là ‘trường xa’. Các phương pháp trước đây có sự ngắt kết nối giữa trường gần và trường xa, cung cấp một hình ảnh không đầy đủ về hệ thống ánh sáng ở cấp độ lượng tử.

“Phát hiện này đã giúp chúng tôi tăng cường hiểu biết về trao đổi năng lượng giữa ánh sáng và vật chất, và thứ hai là hiểu rõ hơn về cách ánh sáng phát ra môi trường xung quanh và xa xôi hơn. Trước đây nhiều thông tin này được cho chỉ là ‘nhiễu’ – nhưng có rất nhiều thông tin trong đó mà bây giờ chúng tôi có thể hiểu và sử dụng,” nhà vật lý Benjamin Yuen nói.

Hiểu biết mới này rất có ý nghĩa mang lại ứng dụng thực tế. Đối với các nhà vật lý lượng tử và các nhà khoa học vật liệu, phát hiện có thể thay đổi sự phát triển của công nghệ quang học nano, thúc đẩy cải tiến trong pin năng lượng quang điện hoặc điện toán lượng tử, cũng như những tiến bộ trong công nghệ truyền thông.