Prima immagine di un singolo fotone: la luce svela la sua forma

Le particelle che costituiscono la luce, i fotoni, hanno una loro forma. Per quanto possa sembrare un concetto astratto, oggi sappiamo finalmente qual è grazie al lavoro dei fisici dell’Università di Birmingham. In un esperimento rivoluzionario, questi scienziati sono riusciti a definire per la prima volta la forma precisa di un singolo fotone nel momento in cui viene emesso. I dettagli di questa straordinaria scoperta sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.

Analisi: la natura nascosta del fotone

Comprendere la forma di un fotone non è un’impresa facile. La luce, con le sue infinite possibilità di propagazione e interazione con l’ambiente, è intrinsecamente complessa da studiare. In particolare, i fotoni, che sono le particelle elementari della luce, interagiscono in modi che sfidano la modellazione e i calcoli tradizionali.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori dell’Università di Birmingham hanno analizzato la natura dei fotoni, cercando di capire come questi vengono emessi da atomi e molecole e come il loro ambiente ne modella la distribuzione. Hanno fatto ricorso a teorie quantistiche che descrivono le interazioni tra luce e materia, riuscendo a creare una rappresentazione matematicamente precisa della forma di un singolo fotone.

Benjamin Yuen, coautore dello studio, ha spiegato a New Atlas:

“La visualizzazione che abbiamo ottenuto è una simulazione accurata di un fotone emesso da un atomo situato sulla superficie di una nanoparticella di silicio. I nostri calcoli hanno trasformato un problema apparentemente irrisolvibile in qualcosa di calcolabile. È la prima volta che vediamo qualcosa del genere in fisica”.

La forma del fotone: un concetto quantistico

Quando parliamo di “forma” di un fotone, non ci riferiamo a un oggetto tangibile come un sasso o un fiocco di neve. Invece, parliamo di una distribuzione dell’intensità, una sorta di mappa che indica dove è più probabile trovare il fotone in un determinato momento.

Secondo Yuen:

“La forma del fotone è fortemente influenzata dalla nanoparticella. Questo non solo aumenta di migliaia di volte la probabilità che il fotone venga emesso, ma consente anche che venga riassorbito dall’atomo più volte. Un altro aspetto curioso della meccanica quantistica è che, prima che il fotone venga rilevato, le informazioni dettagliate di questa distribuzione di intensità sono già presenti nella funzione d’onda del fotone. Ed è proprio questa funzione d’onda che siamo riusciti a calcolare e visualizzare”.

La funzione d’onda, una componente fondamentale della fisica quantistica, rappresenta la probabilità di dove e come si manifesterà una particella come il fotone. Questa visualizzazione non era mai stata ottenuta con una tale precisione.

Nuove opportunità per la scienza e la tecnologia

Questa scoperta non si limita a soddisfare una curiosità accademica: apre nuovi orizzonti nel campo della fisica e delle tecnologie avanzate. Essere in grado di definire con precisione la forma di un fotone e la sua interazione con l’ambiente significa che gli scienziati possono progettare dispositivi nanofotonici sempre più sofisticati.

Le possibili applicazioni includono:

• Informatica quantistica: progettare sistemi di calcolo basati su interazioni luce-materia estremamente precise.
• Sensori avanzati: creare sensori più sensibili e accurati per misurazioni ottiche.
• Celle solari efficienti: migliorare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici grazie a una migliore comprensione di come la luce interagisce con i materiali.

Yuen ha concluso:

“Questo lavoro ci permette di comprendere meglio lo scambio di energia tra luce e materia. In passato, molte di queste informazioni venivano considerate rumore, ma ora siamo in grado di dare un senso a questi dati e utilizzarli per creare nuove tecnologie. Stiamo gettando le basi per progettare interazioni luce-materia che saranno fondamentali per applicazioni future”.

Un passo avanti nella comprensione della luce

La luce è uno degli elementi più misteriosi e affascinanti del nostro universo. Dalla sua dualità onda-particella alla sua capacità di trasportare informazioni, continua a sfidare le nostre conoscenze scientifiche. La prima immagine della forma di un singolo fotone rappresenta un risultato straordinario che spinge in avanti i confini della fisica moderna.

In un mondo sempre più dominato dalla tecnologia e dalla necessità di energia pulita, una comprensione più profonda della luce e delle sue interazioni con la materia potrebbe essere la chiave per affrontare alcune delle sfide più urgenti della nostra epoca.

di F. Rizzuto