I fotoni, le particelle elementari della luce, sono da sempre un mistero per l'umanità, invisibili ai nostri occhi e alle macchine fotografiche. Ma un eccezionale team di fisici dell'Università di Birmingham ha fatto un passo avanti straordinario: hanno creato la prima visualizzazione matematica della forma di un singolo fotone!

Ben Yuen, coautore dello studio, ha offerto alcune spiegazioni che lasciano senza parole: "La visualizzazione rappresenta una simulazione esatta di un fotone emesso da un atomo sulla superficie di una nanoparticella. La forma del fotone è profondamente influenzata dalla nanoparticella, aumentando mille volte la probabilità di emissione e consentendo il suo riassorbimento dall'atomo più volte".

Ma cosa vuol dire, esattamente, "forma" di un fotone? A differenza di un oggetto normale, un fotone non ha contorni definiti. La sua "forma" è una distribuzione di intensità che indica la probabilità di trovare il fotone in uno specifico punto nello spazio. Le aree più luminose nella visualizzazione segnalano una maggiore probabilità di rilevamento quando si misura la sua posizione. Yuen spiega ulteriormente: "Questa rappresentazione mostra la distribuzione di un fotone subito dopo la sua emissione. Non possiamo misurarne la posizione in un'unica volta perché la misurazione distrugge il fotone, ma se ripetiamo la misurazione molte volte, avremo proprio questa distribuzione".

La vera scoperta di questo studio risiede nella capacità di calcolare la "funzione d'onda" del fotone, che fornisce una descrizione completa del suo stato quantistico e della sua distribuzione di intensità. "Uno degli aspetti più affascinanti della meccanica quantistica è che, prima che il fotone venga rilevato, tutte le informazioni sulla sua distribuzione esistono già nella sua funzione d'onda", ha aggiunto Yuen.

Questa sorprendente scoperta è emersa inaspettatamente mentre i ricercatori indagavano su come i fotoni vengono emessi da atomi e molecole e sull'influenza dell'ambiente su questo processo. Hanno sviluppato una nuova versione della teoria quantistica dei campi, integrando una nanoparticella di silicio che interagisce con i fotoni. Grazie all'uso della matematica complessa, i ricercatori sono riusciti a semplificare notevolmente la questione e a rappresentarla come un'interazione con poche centinaia di "modi di luce complessi".

Dalla ricerca sono emerse straordinarie rivelazioni, come il preciso modo in cui la luce si propaga e la forma esatta della distribuzione di intensità dei fotoni. Questo è un passo importante non solo per la fisica quantistica, ma anche per le tecnologie future, come la computazione quantistica e le comunicazioni ottiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista prestigiosa *Physical Review Letters*, e promette di aprire nuove strade nella nostra comprensione della luce e della materia.