Tvar fotonu podle nového modelu. Kredit: Benjamin Yuen / University of Birmingham.

Veškeré elektromagnetické záření, od líných rádiových vln až po extatické gama paprsky, představují fotony. Jsou to elementární částice ze skupiny bosonů, které zprostředkovávají elektromagnetickou interakci, a zkoumá je kvantová elektrodynamika. Jejich hmotnost je nulová, letí absolutní rychlostí a jejich životnost je nekonečná.

Angela Demetriadou. Kredit: University of Birmingham.

Částicové vlastnosti fotonů se projevují především při vysokých frekvencích a energiích, zatímco jejich vlnová povaha vynikne na opačném konci spektra. Jak ale foton vlastně vypadá?

Britští fyzici University of Birmingham Benjamin Yuen a Angela Demetriadou, detailně zkoumali povahu fotonů jako jednotlivých částic. Sledovali, jak jsou fotony vyzařovány z atomů či molekul a jak je tvaruje prostředí. V rámci výzkumu sestavili model, který popisuje interakci záření a hmoty na kvantové úrovni. Model jim rovněž umožnil poprvé definovat tvar jednotlivého fotonu.

Logo. Kredit: University of Birmingham.

Povaha interakcí záření a hmoty vede k nekonečnému počtu možností toho, jak se mohou fotony pohybovat prostředím. Kvůli tomu je tyto interakce nesmírně obtížné modelovat. Pro kvantové elektrodynamiky je to výzvou už celá desetiletí. Dvojice University of Birmingham to řešila vytvořením skupin takových interakcí, což jim umožnilo vytvořit model popisující interakce mezi fotonem a částicí, která ho vyzářila, a také energie, které s těmito interakcemi souvisejí.

Jak vysvětluje Yuen, přeměnili zdánlivě neřešitelný problém na řešitelný problém. Jako bonus je vedlejším produktem jejich pozoruhodného modelu obraz jednotlivého fotonu. Něco takového fyzika doposud nedokázala. Nový model ukazuje, že geometrické a optické vlastnosti prostředí mají zásadní vliv na to, jak jsou fotony vyzařovány, jaký mají tvar, barvu, a také jaká je pravděpodobnost jejich existence.

Nový výzkum přispívá k pochopení přeměn energie mezi zářením a hmotou, a také k pochopení mechanismu vyzařování fotonů do okolního prostředí. Takové poznatky se přitom stanou základem pro další výzkum i praktické aplikace, které sázejí na interakce záření a hmoty. Na obzoru se rýsují výkonnější senzory, vylepšené fotovoltaické články anebo důmyslnější kvantové počítače. Mohou se objevit nové nanofotonické technologie, které se uplatní v komunikaci, detekci patogenů nebo třeba při ovládání chemických reakcí na molekulární úrovni.

Video: How QED Unites Relativity, Quantum Mechanics & Electromagnetism | Quantum Electrodynamics

Literatura

University of Birmingham 18. 11. 2024.

Physical Review Letters 133: 203604.