Photon là nền tảng giúp chúng ta nhìn thấy mọi thứ xung quanh. Khi chúng đến võng mạc của mắt hoặc cảm biến của máy ảnh, chúng mang theo thông tin về nguồn phát hoặc các vật thể mà chúng đã va chạm. Tuy nhiên, điều thú vị là photon không thể “nhìn thấy” các photon khác, bởi chúng không tương tác trực tiếp với nhau.
Các nhà vật lý tại Đại học Birmingham đã vượt qua rào cản này bằng cách tái tạo một hình ảnh toán học chính xác về hình dạng của photon khi nó được phát xạ. Theo TS Ben Yuen - đồng tác giả nghiên cứu, hình ảnh này là một mô phỏng chính xác về photon khi nó được phát ra bởi một nguyên tử nằm trên bề mặt của hạt nano. Hình dạng của photon không giống như hình dạng vật lý của một đối tượng thông thường. Thay vào đó, nó là phân bố cường độ ánh sáng - một bản đồ xác suất thể hiện nơi photon có khả năng xuất hiện tại một thời điểm cụ thể. Các khu vực sáng hơn trên bản đồ chỉ ra khả năng cao photon sẽ được phát hiện ở đó. Hình ảnh này chính là phân bố cường độ của photon một thời gian ngắn sau khi nó được phát xạ. Vì photon là một hạt lượng tử nên không thể đo lường một lần mà không phá hủy nó. Tuy nhiên, nếu lặp lại phép đo nhiều lần, bạn sẽ thấy phân bố chính xác này.
Hình ảnh trực quan của photon (nguồn: Benjamin Yuen).
Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực để trả lời câu hỏi “Làm thế nào photon được phát xạ bởi nguyên tử, phân tử và môi trường xung quanh ảnh hưởng thế nào đến quá trình này?”. Trước đây, các mô hình vật lý chỉ chính xác trong môi trường chân không hoàn hảo với một nguyên tử duy nhất. Nhưng thực tế, môi trường phức tạp có tác động rất lớn mà chưa có lý thuyết nào mô tả được đầy đủ. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phiên bản lý thuyết trường lượng tử, bao gồm tương tác giữa photon và hạt nano silicon. Thách thức nằm ở việc xác định vô số cách mà hạt nano có thể tương tác với phổ ánh sáng liên tục. Bằng cách sử dụng toán học phức hợp, nhóm nghiên cứu đã đơn giản hóa vấn đề này, giảm nó xuống một tập hợp hữu hạn các “chế độ ánh sáng phức”. Cách tiếp cận này không chỉ tạo ra hình ảnh photon, mà còn làm sáng tỏ các chi tiết quan trọng như cách ánh sáng lan truyền và phân bố cường độ của photon. Điều này cải thiện hiểu biết về cách ánh sáng và vật chất tương tác, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như pin mặt trời, máy tính lượng tử và cảm biến công nghệ cao.
Xuân Bình (theo University of Birmingham)