إن الحسابات التي تهدف إلى استكشاف التفاعلات بين الضوء والمادة التي تنتجه قد تصف عن غير قصد محيط الفوتون، وكاشفةً شكله بتفاصيل غير مسبوقة.

يقدم نموذج جديد، طوره علماء الفيزياء في المملكة المتحدة، وصفًا كميًا كاملاً للنقطة التي يتفاعل فيها الضوء والمادة، محافظًا على صورة لكيفية استمرار هذا التفاعل في التأثير على الجسيم أثناء تحركه عبر تشابك الحقول.

يقول الفيزيائي النظري بن يون من جامعة برمنغهام :”لقد مكّنتنا حساباتنا من تحويل مشكلة تبدو غير قابلة للحل إلى شيء يمكن حسابه.”

“وكأنه منتج ثانوي للنموذج، تمكنا من إنتاج هذه الصورة لفوتون، وهو شيء لم يُرَ من قبل في الفيزياء.”

”

بخصائص تموج كالموجة عبر محيط غير مادي، وجسيم عديم الكتلة ينطلق بسرعة الضوء القصوى، يتحدى ازدواجية الفوتون خيالنا.

وجوده لغز، شيء يمكن تمثيله بدقة غريبة من خلال رياضيات الاحتمالات، لكن ليس له تمثيل ملائم يمكننا استخدامه لتصور شكله في عالمنا من الأشكال والأحجام والألوان.

ومع ذلك، قد تترجم بعض خصائص الضوء إلى شيء مألوف. ضمن ترميزه الكمي – المعروف باسم دالته الموجية – تكمن القواعد التي تحدد حدود تأثير الفوتون على بيئته.

ما نشهده على هيئة توهج خافت لافتات النيون أو أشعة الشمس في يوم صيفي هو تبادل بين الذرات بلغة الكهرومغناطيسية. وعندما تتحول الإلكترونات في مداراتها، فإنها تصدر وحدات طاقة مقابلة تُعرف باسم الفوتونات.

لقد كشفت التحسينات في قدرتنا التكنولوجية على تقييد وتوجيه هذا الحوار الكهرومغناطيسي عن تعقيدات لا تصدق في مرور الضوء عبر كون مادي.

لم يعد بالإمكان فهم هذه الرحلة على أنها مرور أحادي الاتجاه للطاقة من نقطة انبعاث إلى وجهة؛ بل إن طبيعتها الكمية تحافظ على نوع من الذاكرة التي تستمر في التغذية العكسية على طول مسارها فيما يسميه الفيزيائيون ديناميكية غير ماركوفية.

تقول أنجيلا ديميتريادو، الفيزيائية النظرية في جامعة برمنغهام، إنّ “هندسة الوسط وخصائصه الضوئية لهما عواقب وخيمة على كيفية انبعاث الفوتونات، بما في ذلك تحديد شكل الفوتون ولونه وحتى احتمالية وجوده”.

لفهم أفضل لهذه القواعد الكمومية لرحلة الفوتون غير ماركوفية عبر الزمن والمادة، طور يوين ودي ميتريادو نموذجًا فريدًا وصف نوع البيئة المفتوحة التي سيتفاعل معها الضوء مباشرة بعد انبعاثه من الذرات في جسيم نانوي من السيليكون.

ولم تقتصر نظريتهم القائمة من الصفر على التقاط انتشار الضوء من نقطة بدايته بدقة غير مسبوقة، بل وجدت تعريفًا في “ضوضاء” التفاعلات التي وصفت بدقة تدرجات شدة المجال المحيط بكميات الضوء.

مع ازدياد رغبتنا في تقنيات أصغر حجماً، وأسرع، وأكثر دقة، وأكثر حساسية، ستزداد أهمية قدرتنا على التنبؤ بدقة بالآثار الكمية التي تتركها الفوتونات في أعقابها.

“وبفهم هذا، نضع الأساس لتمكين هندسة التفاعلات بين الضوء والمادة لتطبيقات مستقبلية، مثل أجهزة استشعار أفضل، وخلايا طاقة ضوئية محسّنة، أو حوسبة كمومية،” يقول يوين.

نُشر هذا البحث في مجلة Physical Review Letters.