研究人员提出了一种新的量子理论，首次精确定义了光子的形状，显示了它与原子及其环境的相互作用。这一突破实现了光子的可视化，可彻底改变纳米光子技术，增强安全通信、病原体检测和化学反应中的分子控制。

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确定单光子的精确形状。 图片来源：Benjamin Yuen 博士

Physical Review Letters上刊登了伯明翰大学 科学家的研究成果，他们深入研究了光子--单个光粒子--的复杂行为。 他们的研究揭示了原子或分子如何发射光子，以及光子的形状如何受到周围环境的影响。

这种复杂的相互作用为光的存在及其在周围环境中的运动提供了无限可能。 然而，这种巨大的潜力使得为这些相互作用建模成为一项极其艰巨的挑战--量子物理学家几十年来一直在应对这一挑战。

伯明翰研究小组将这些可能性分成不同的组，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"。与此同时，他们还能利用计算结果将光子本身可视化。

第一作者、该校物理学院的本杰明-袁（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，几乎作为模型的副产品，我们能够产生光子的图像，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、检测病原体或控制分子水平化学反应的方式。

论文的共同作者、伯明翰大学的安吉拉-德梅特里亚杜教授说："环境的几何和光学特性对光子的发射方式有着深远的影响，包括确定光子的形状、颜色，甚至它存在的可能性有多大。"

本杰明-袁（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。"

编译自/ScitechDaily