一种解释光和物质如何在量子层面上相互作用的新理论使研究人员首次能够定义单个光子的精确形状。

一种解释光和物质如何在量子层面上相互作用的新理论使研究人员首次能够定义单个光子的精确形状。

伯明翰大学的研究发表在《物理评论快报》上，以前所未有的细节探索了光子（光的单个粒子）的性质，展示了它们如何由原子或分子发射以及如何受环境影响。

这种相互作用的性质使得光在其周围环境中存在、传播或传播的可能性无限。

然而，这种无限的可能性使得相互作用极难建模，也是量子物理学家几十年来一直努力解决的一个挑战。

通过将这些可能性分组为不同的集合，伯明翰团队能够建立一个模型，不仅描述光子和发射器之间的相互作用，而且还能描述该相互作用产生的能量如何传播到遥远的“远场”。

同时，他们能够利用他们的计算结果对光子本身进行可视化。

第一作者、大学物理学院的 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问题。而且，几乎作为该模型的副产品，我们能够生成光子图像，这是物理学中以前从未见过的。”

这项工作很重要，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以及其环境中的其他元素相互作用，科学家可以设计新的纳米光子技术，例如可以改变我们安全通信、检测病原体或在分子水平上控制化学反应的方式。

同样来自伯明翰大学的合著者安吉拉·德米特里亚杜 (Angela Demetriadou) 教授表示：“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，包括决定光子的形状、颜色，甚至它存在的可能性。”

本杰明·袁博士补充道：“这项研究有助于我们加深对光与物质之间能量交换的理解，其次，它有助于我们更好地理解光如何辐射到附近和远处的环境中。以前，人们认为这些信息中有很多只是‘噪音’——但现在我们可以理解并利用其中的大量信息。通过理解这一点，我们为设计光与物质的相互作用奠定了基础，以便用于未来的应用，例如更好的传感器、改进的光伏能源电池或量子计算。”

材料由伯明翰大学提供。注意：内容可能因风格和长度而经过编辑。

期刊参考：

1. Ben Yuen, Angela Demetriadou。辐射光子环境的精确量子电动力学。物理评论快报，2024；133 (20) DOI：10.1103/PhysRevLett.133.203604