一種解釋光與物質(zhì)如何在量子水平上相互作用的新理論，使研究人員能夠首次精確界定單光子的形狀。

伯明翰大學的研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，以前所未有的細節(jié)探討了光子（單個光粒子）的本質(zhì)，展示了光子是如何由原子或分子發(fā)射并由其環(huán)境塑造的。

這種相互作用的本質(zhì)導致了光在其周圍環(huán)境中存在和傳播或傳播的無限可能性。然而，這種無限的可能性使得這種相互作用異常難以建模，這也是量子物理學家?guī)资�年來一直致力于解決的難題。

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強度分布

伯明翰研究小組將這些可能性歸納為不同的集合，從而建立了一個模型，不僅描述了光子與發(fā)射器之間的相互作用，還描述了這種相互作用產(chǎn)生的能量如何進入遙遠的 “遠場”。

同時，他們還能利用計算結(jié)果制作出光子本身的可視化圖像。

第一作者、該大學物理系的Benjamin Yuen博士解釋說：“我們的計算使我們能夠?qū)⒁粋�看似無法解決的問題轉(zhuǎn)化為可以計算的東西。而且，幾乎作為模型的一個副產(chǎn)品，我們能夠產(chǎn)生光子的這一圖像，這在物理學中是從未見過的。”

這項工作之所以重要，是因為它為量子物理學家和材料科學開辟了新的研究途徑。通過精確定義光子如何與物質(zhì)及其環(huán)境中的其他元素相互作用，科學家們可以設計出新的納米光子技術(shù)，從而改變我們安全通信、檢測病原體或在分子水平上控制化學反應等的方式。

共同作者、伯明翰大學的Angela Demetriadou教授說：“環(huán)境的幾何形狀和光學特性對光子的發(fā)射方式有著深遠的影響，包括定義光子的形狀、顏色，甚至它存在的可能性有多大�！�

Benjamin Yuen博士補充說：“這項工作有助于我們加深對光與物質(zhì)之間能量交換的理解，其次也有助于我們更好地理解光是如何向其附近和遠處的環(huán)境輻射的。很多信息以前都被認為是'噪音'，但現(xiàn)在我們可以理解和利用其中的大量信息。通過了解這一點，我們奠定了能夠為未來的應用設計光-物質(zhì)相互作用的基礎，例如更好的傳感器、改進的光伏能源電池或量子計算。”

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.203604