Исследователи из Университета Твенте в Нидерландах получили важные сведения о фотонах, элементарных частицах, из которых состоит свет. Они ведут себя в удивительно большем разнообразии, чем электроны, окружающие атомы, и при этом их гораздо легче контролировать. Эти новые идеи имеют широкое применение в разных областях — от интеллектуального светодиодного освещения до новых фотонных битов информации, контролируемых квантовыми схемами, и чувствительных нанодатчиков. О достижении ученых написало издание Phys.org.
В атомах мельчайшие элементарные частицы, называемые электронами, занимают области вокруг ядра в формах, называемых орбиталями. Эти орбитали дают вероятность нахождения электрона в определенной области пространства. Квантовая механика определяет форму и энергию этих орбиталей. Подобно электронам, исследователи описывают область пространства, где фотон, скорее всего, находится, также с помощью орбиталей.
Ученые изучили фотонные орбитали и обнаружили, что при тщательном проектировании определенных материалов они могут создавать и контролировать эти орбитали с большим разнообразием форм и симметрий. Эти результаты имеют потенциальное применение в передовых оптических технологиях и квантовых вычислениях.
Первый автор исследования Козон объясняет: «В учебниках химии электроны всегда вращаются вокруг крошечного атомного ядра в центре орбитали. Поэтому форма электронной орбитали не может сильно отличаться от идеальной сферы. В случае с фотонами орбитали могут иметь любую причудливую форму, которую вы придумаете, комбинируя различные оптические материалы в спроектированных пространственных конфигурациях».
Специалисты провели вычислительное исследование, чтобы понять, как ведут себя фотоны, когда они заключены в специфическую 3D-наноструктуру, состоящую из крошечных пор (фотонный кристалл). Эти полости намеренно спроектировали так, чтобы у них были дефекты, создающие сверхструктуру, которая изолирует фотонные состояния от окружающей среды. Оказалось, что структуры с меньшими дефектами демонстрируют большее усиление, чем структуры с большими дефектами. Это делает их более подходящими для интеграции квантовых точек и создания сетей из одиночных фотонов.
Фотонные орбитали важны для разработки передовых оптических технологий, таких как эффективное освещение, квантовые вычисления и чувствительные фотонные датчики. Ученые также изучили, как эти наноструктуры повышают локальную плотность оптических состояний, что важно для приложений в квантовой электродинамике.
Ранее физики провели «невозможный» лазерный эксперимент с ядром атома. Разработанная учеными технология пригодится в зондировании, связи и навигации. Кроме того, она позволит создать самые точные в мире ядерные часы. Все подробности найдете здесь.