物理學家揭示單一光子的精確形態

伯明翰大學的最新研究以前所未有的細節探索了光子——光的單個粒子——的本質。

本·阮（Ben Yuen）和安吉拉·德梅特里亞杜（Angela Demetriadou）界定了單一光子的精確形態。圖片來源：本·阮和安吉拉·德梅特里亞杜。

伯明翰大學的安吉拉·德梅特里亞杜教授表示：「環境的幾何形狀和光學特性，對光子的發射方式有著深遠的影響，包括決定光子的形狀、顏色，甚至其存在的可能性。」

該團隊的新研究展示了光子是如何由原子或分子發射，並受其周圍環境塑造的。

這種相互作用的本質，使得光在其周圍環境中存在和傳播的可能性無窮無盡。

然而，這種無限的可能性，使得這些相互作用極難建模，這也是量子物理學家幾十年來一直努力攻克的挑戰。

透過將這些可能性歸納為不同的集合，研究作者得以建立一個模型，它不僅描述了光子與發射體之間的相互作用，還闡明瞭這種相互作用產生的能量如何傳播到遙遠的遠場。

與此同時，他們利用計算成果，將光子本身視覺化。

伯明翰大學的本傑明·阮博士稱：「我們的計算，將一個看似無法解決的問題，轉化為可計算的問題。」

「而且，幾乎可以說是這個模型的一個副產品，我們得以繪製出光子的影象，這在物理學領域是前所未見的。」

這項研究意義重大，因為它為量子物理學家和材料科學開闢了新的研究途徑。

透過精確界定光子如何與物質以及其環境中的其他元素相互作用，科學家們可以設計新的奈米光子技術。例如，這些技術可能會改變我們安全通訊的方式、檢測病原體的方法，或者在分子層面控制化學反應的手段。

阮博士表示：「這項研究幫助我們加深了對光與物質之間能量交換的理解，其次，也讓我們更好地理解光如何向其近處和遠處的環境輻射。」

「以前，很多這樣的資訊都被認為只是噪音——但其中蘊含著大量我們現在可以理解並加以利用的資訊。」

「透過理解這一點，我們為未來的應用奠定了基礎，例如研發更好的感測器、改進光伏電池，或者發展量子計算。」

這項研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊上。

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本·阮和安吉拉·德梅特里亞杜。2024年。輻射光子環境的精確量子電動力學。《物理評論快報》133卷，203604頁；doi: 10.1103/PhysRevLett.133.203604