新理论揭示了单光子的形状

一种解释光与物质如何在量子水平上相互作用的新理论，使研究人员能够首次精确界定单光子的形状。

伯明翰大学的研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，以前所未有的细节探讨了光子（单个光粒子）的本质，展示了光子是如何由原子或分子发射并由其环境塑造的。

这种相互作用的本质导致了光在其周围环境中存在和传播或传播的无限可能性。然而，这种无限的可能性使得这种相互作用异常难以建模，这也是量子物理学家几十年来一直致力于解决的难题。

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强度分布

伯明翰研究小组将这些可能性归纳为不同的集合，从而建立了一个模型，不仅描述了光子与发射器之间的相互作用，还描述了这种相互作用产生的能量如何进入遥远的 “远场”。

同时，他们还能利用计算结果制作出光子本身的可视化图像。

第一作者、该大学物理系的Benjamin Yuen博士解释说：“我们的计算使我们能够将一个看似无法解决的问题转化为可以计算的东西。而且，几乎作为模型的一个副产品，我们能够产生光子的这一图像，这在物理学中是从未见过的。”

这项工作之所以重要，是因为它为量子物理学家和材料科学开辟了新的研究途径。通过精确定义光子如何与物质及其环境中的其他元素相互作用，科学家们可以设计出新的纳米光子技术，从而改变我们安全通信、检测病原体或在分子水平上控制化学反应等的方式。

共同作者、伯明翰大学的Angela Demetriadou教授说：“环境的几何形状和光学特性对光子的发射方式有着深远的影响，包括定义光子的形状、颜色，甚至它存在的可能性有多大。”

Benjamin Yuen博士补充说：“这项工作有助于我们加深对光与物质之间能量交换的理解，其次也有助于我们更好地理解光是如何向其附近和远处的环境辐射的。很多信息以前都被认为是'噪音'，但现在我们可以理解和利用其中的大量信息。通过了解这一点，我们奠定了能够为未来的应用设计光-物质相互作用的基础，例如更好的传感器、改进的光伏能源电池或量子计算。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-11-theory-reveals-photon.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.203604