Işığın parçacığı olarak bilinen fotonun ilk kez doğrudan görüntüsü oluşturuldu. Fotonların fotoğrafını çekmek mümkün olmasa da, Birmingham Üniversitesi’nde yakın zamanda gerçekleştirilen bir çalışmada, bir fotonun ilk oluştuğu andaki görüntüsünü temsil eden dalga fonksiyonu hesaplandı.
Dr. Öğr. Üyesi Berna Morova
İTÜ, Fizik Müh. Bölümü
Işığın parçacığı olarak bilinen fotonun ilk kez doğrudan görüntüsü oluşturuldu. Fotonların fotoğrafını çekmek mümkün olmasa da, Birmingham Üniversitesi’nde yakın zamanda gerçekleştirilen bir çalışmada, bir fotonun ilk oluştuğu andaki görüntüsünü temsil eden dalga fonksiyonu hesaplandı.
Günlük hayatımızda fotonlar, gözümüzle veya bir kamerayla doğrudan algılanarak üretildikleri kaynağın ya da yansıdıkları cisimlerin görüntüsünü oluşturur. Ancak, fotonların birbirleriyle etkileşim göstermemesi, bir fotonun başka bir fotonun görüntüsünü oluşturmak için kullanılmasını imkansız kılar. Peki, tek bir fotonun şeklinin görüntüsünün oluşturulması bu bağlamda ne anlama gelir? Birmingham Üniversitesi’nden fizikçiler Benjamin Yuen ve Angela Demetriadou, bir fotonun doğrudan görüntüsünü elde etmenin mümkün olmadığı bu durumda, yapılabilecek en iyi alternatifi gerçekleştirdiler ve matematiksel olarak bir fotonun şeklini doğru bir şekilde görselleştiren bir model geliştirdiler.
Bir fotonun doğrudan görüntüsünü elde etmenin mümkün olmadığı bu durumda, yapılabilecek en iyi alternatifi gerçekleştirdiler ve matematiksel olarak bir fotonun şeklini doğru bir şekilde görselleştiren bir model geliştirdiler.
Burada bir fotonun ‘şekli’, sıradan bir nesnenin şeklini çizmekle tam olarak aynı anlama gelmez. Bunun yerine, bu şekil bir yoğunluk dağılımını ifade eder – temel olarak, belirli bir anda fotonun nerede bulunabileceğini gösteren bir haritadır. Daha parlak bölgeler, fotonun konumu ölçüldüğünde orada bulunma olasılığının daha yüksek olduğunu belirtir. Ben Yuen ve Angela Demetriadou, gerçekleştirdikleri çalışmayla bir fotonun, onu üreten kaynakla olan etkileşimini ve bu etkileşimden doğan enerjinin uzak mesafelere nasıl ilerlediğini açıklamanın yanı sıra, söz konusu yoğunluk dağılımını da hesaplamanın bir yolunu bulmuş oldular. Onları bu noktaya getiren temel soru ise şu oldu: “Fotonlar atomlar ve moleküller tarafından gerçekte nasıl üretilir ve çevresel etkiler bu süreçte nasıl bir rol oynar?” Fizikçiler, bu süreci yalnızca mükemmel bir vakum ortamında, çevresinde tek bir atom veya molekülden başka hiçbir şey olmayan durum için doğru bir şekilde modelleyebilmişti. Ancak çevrenin bu süreç üzerinde önemli bir etkisi olduğu uzun zamandır bilinmesine rağmen, bugüne kadar hiçbir teori tüm detayları tam anlamıyla yakalamayı başaramamıştı.
Ekip, silikon nanoparçacık ile etkileşime giren bir foton için kuantum alan teorisi geliştirerek çalışmaya başladı.
Ekip, bu soruya cevap bulmak için, silikon nanoparçacık ile etkileşime giren bir foton için kuantum alan teorisi geliştirerek çalışmaya başladı. Ancak nanoparçacığın sürekli bir ışık spektrumu ile nasıl etkileşime girebileceğine dair neredeyse sonsuz olasılık vardır. Ekibin en önemli başarısı, bu olasılıkları daraltmanın bir yolunu bulmuş olmalarıdır. Bunun için matematikte ‘karmaşık analiz’ adı verilen bir yöntemi kullanarak, gerçek sayılara dayalı sürekli bir kümeyi belirli bazı karmaşık sayılara dayalı ayrık bir kümeye dönüştürdüler. Bu sayede, sonsuz sayıda etkileşim olasılığını yalnızca birkaç yüz ‘karmaşık’ ışık modu ile olan bir etkileşim olarak tam anlamıyla temsil etmeyi başardılar. Bu yaklaşım tesadüfen, ışığın şeklinin görüntüsünü oluşturmanın yolunu da açtı.
Fotonun şekli, çevresel koşullara bağlı olarak tamamen değişebilmektedir. Bu durum, aslında nanofotoniğin temel prensiplerinden birini ortaya koymaktadır: Çevreyi şekillendirerek, fotonu da şekillendirebiliriz.
Burada önemli bir noktayı vurgulamak gerekir: Fotonun şekli, çevresel koşullara bağlı olarak tamamen değişebilmektedir. Bu durum, aslında nanofotoniğin temel prensiplerinden birini ortaya koymaktadır: Çevreyi şekillendirerek, fotonu da şekillendirebiliriz.
Bu çalışmanın, ışık ve madde etkileşimine dair anlayışımızı büyük ölçüde geliştirdiği açıktır. Ayrıca, güneş panelleri, kuantum bilgisayarlar ve sensörler gibi alanlarda önemli uygulamalara yol açabileceği öngörülmektedir.
Kaynakça
Yuen B. and Demetriadou A. (2024). Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments, Phys. Rev. Letters. 133, 203604.
Demetriadou A. (18 Nov 2024). New theory reveals the shape of a single photon, University of Birmingham. https://www.birmingham.ac.uk/news/2024/new-theory-reveals-the-shape-of-a-single-photon
