Pernahkah anda terfikir bagaimana bentuk sebenar sebutir zarah cahaya — foton ?
Untuk pertama kalinya, para penyelidik telah mendefinisikan bentuk tepat sebutir foton yang menjadi satu lonjakan besar dalam fizik kuantum dan sains bahan.
Dr. Benjamin Yuen dari Universiti Birmingham mengetuai penyelidikan ini bagi menyelami interaksi cahaya dan bahan pada tahap kuantum.
Penemuan pasukannya itu, yang diterbitkan dalam Physical Review Letters, menyediakan perwakilan visual bagi sebutir foton sambil meningkatkan pemahaman kita tentang bagaimana foton dipancarkan dan dibentuk oleh persekitarannya.
Foton adalah unit asas cahaya dan semua radiasi elektromagnetik. Tidak seperti zarah yang mempunyai jisim, foton tidak berjisim dan sentiasa bergerak pada kelajuan cahaya dalam vakum.
Mereka mempamerkan kedua-dua sifat seperti zarah dan seperti gelombang, konsep yang dikenali sebagai dualiti gelombang-zarah.
Foton membawa tenaga dan momentum, yang ditentukan oleh kekerapan atau panjang gelombangnya. Secara ringkas, semakin tinggi kekerapan, semakin banyak tenaga yang dimiliki oleh foton.
Sifat dual yang unik ini membolehkan foton berinteraksi dengan bahan dengan cara khas, seperti diserap atau dipancarkan oleh atom.
Interaksi ini adalah penting untuk proses seperti penglihatan, fotosintesis, dan teknologi di sebalik peranti elektronik kita.
Interaksi antara foton dan persekitarannya membawa kepada kemungkinan tanpa had bagaimana cahaya wujud dan bergerak. Potensi tanpa had ini menjadikan pemodelan interaksi ini sangat mencabar — teka-teki yang cuba diselesaikan oleh ahli fizik kuantum selama beberapa dekad.
“Pengiraan kami membolehkan kami menukar masalah yang kelihatan tidak dapat diselesaikan kepada sesuatu yang boleh dihitung. Dan, hampir sebagai hasil sampingan model itu, kami dapat menghasilkan imej foton ini, sesuatu yang belum pernah dilihat dalam fizik sebelum ini.” Dr. Benjamin Yuen.
Dengan mengelompokkan kemungkinan interaksi foton yang tidak terhingga ke dalam set yang berbeza, pasukan itu menghasilkan model yang menerangkan bukan sahaja bagaimana foton berinteraksi dengan atom atau molekul yang memancarkannya, tetapi juga bagaimana tenaga daripada interaksi itu merambat ke persekitaran yang jauh, yang dikenali sebagai “far field.”
Kita bergantung pada foton lebih daripada yang kita sedar. Mata kita mengesan foton, membolehkan kita melihat dunia di sekeliling kita.
Dalam teknologi, foton adalah penting untuk panel solar yang menukar cahaya menjadi elektrik dan kabel gentian optik yang menyediakan internet dan komunikasi berkelajuan tinggi.
Foton juga memainkan peranan penting dalam penyelidikan saintifik.
Mereka adalah pusat kepada elektrodinamik kuantum (QED), teori yang menerangkan bagaimana cahaya dan bahan berinteraksi.
Foton bertindak sebagai pembawa daya untuk daya elektromagnetik, salah satu daripada empat daya asas dalam alam semesta.
Mereka memudahkan interaksi antara zarah bercas seperti elektron dan proton, yang mengawal pelbagai fenomena fizikal.
“Geometri dan sifat optik persekitaran mempunyai akibat mendalam untuk bagaimana foton dipancarkan, termasuk menentukan bentuk, warna, dan juga kemungkinan untuk wujud,” jelas penulis bersama Profesor Angela Demetriadou.
Memahami bentuk dan tingkah laku tepat foton boleh merevolusikan cara kita mereka bentuk teknologi nanofotonik.
Ini boleh membawa kepada kemajuan dalam kaedah komunikasi yang selamat, peningkatan pengesanan patogen, dan juga kawalan terhadap reaksi kimia pada peringkat molekul.
“Kerja ini membantu kita untuk meningkatkan pemahaman kita tentang pertukaran tenaga antara cahaya dan bahan, dan untuk lebih memahami bagaimana cahaya meradiasi ke persekitaran berhampiran dan jauh,” tambah Dr. Yuen.
Dengan memahami bagaimana foton berinteraksi dengan persekitarannya, saintis boleh merekayasa interaksi cahaya-bahan untuk aplikasi masa depan.
Bayangkan penderia yang lebih baik yang boleh mengesan penyakit pada peringkat awal, sel suria yang lebih cekap yang menyediakan tenaga yang lebih bersih, atau kemajuan dalam pengkomputeran kuantum yang boleh menyelesaikan masalah kompleks dalam beberapa saat.
“Dengan memahami ini, kami meletakkan asas untuk dapat merekayasa interaksi cahaya-bahan untuk aplikasi masa depan,” kata Dr. Yuen.
Secara ringkas, penyelidikan ini merupakan langkah maju yang ketara dalam fizik kuantum.
Dengan mendefinisikan bentuk tepat sebutir foton, pasukan itu telah menyediakan alat yang boleh membantu saintis dan jurutera mereka bentuk teknologi baharu yang memanfaatkan sifat unik cahaya.
Penemuan ini bukan sahaja menjawab soalan yang telah lama wujud tentang sifat asas foton tetapi juga membuka soalan dan jalan penyelidikan baru.
Dengan pengetahuan baharu ini, kita bukan sahaja melihat cahaya secara berbeza — kita bersedia untuk menggunakannya dengan cara yang tidak pernah kita sangka mungkin.
{suggest}
Sumber: Earth.com