新理論首次精確定義單光子形狀

科技日報北京11月21日電 （記者張佳欣）據最新一期《物理評論快報》雜誌報道，英國伯明翰大學科學家提出一種新理論，以前所未有的詳細程度探討了光子（光的單個粒子）的本質。該理論首次精確定義了單個光子的形狀，改變了人們對光與物質在量子層面如何相互作用的理解，代表了人們對光的理解的重大飛躍。這一理論為將來在實踐中應用光—物質相互作用工程奠定了基礎，例如製造更好的傳感器、改進的光伏能源電池或量子計算等等。

這一理論揭示了光子如何由原子或分子發射，並受到周圍環境的影響而呈現出特定形狀。這種複雜的相互作用使得光在周圍環境中存在和傳播的可能性變得無限多樣。然而，可能性太多也使得構建相互作用模型變得異常困難，而這也是量子物理學家幾十年來一直在努力解決的問題。

團隊將這些可能性劃分為不同的集合，從而構建出一個綜合模型。該模型不僅闡述了光子與發射體之間的相互作用，還描述了這種相互作用產生的能量如何傳播到遙遠的“遠場”。同時，團隊還通過計算生成了光子本身的可視化圖像。

這項研究意義重大，因為它為量子物理學和材料科學開闢了新的研究領域。通過準確描述光子與物質以及其他環境因素之間的相互作用，科學家可以設計出新的納米光子技術，從而改變安全通信、病原體檢測或分子層面化學反應控制的方式。

環境的幾何形狀和光學特性對光子的發射方式有着深遠影響，包括決定光子的形狀、顏色，甚至其存在的可能性。這項研究有助於加深對光與物質之間能量交換的理解，並更好地理解光是如何向周圍和遠距離環境輻射的。之前，這些信息中有很多被視為“噪聲”，但現在，科學家可以理解並利用其中的大量信息。