研究人員提出了一種新的量子理論，首次精確地定義了光子的形狀，顯示了它與原子及其環境的相互作用。這項突破實現了光子的可視化，可徹底改變奈米光子技術，增強安全通訊、病原體檢測和化學反應中的分子控制。

一種解釋光與物質如何在量子層面上相互作用的新理論，使研究人員能夠首次確定單光子的精確形狀。 圖片來源：Benjamin Yuen 博士

Physical Review Letters上刊登了伯明罕大學科學家的研究成果，他們深入研究了光子–單一光粒子–的複雜行為。 他們的研究揭示了原子或分子如何發射光子，以及光子的形狀如何受到周圍環境的影響。

這種複雜的相互作用為光的存在及其在周圍環境中的運動提供了無限可能。 然而，這種巨大的潛力使得為這些相互作用建模成為一項極其艱鉅的挑戰–量子物理學家幾十年來一直在應對這項挑戰。

伯明罕研究小組將這些可能性分成不同的組，從而建立了一個模型，不僅描述了光子與發射器之間的相互作用，還描述了這種相互作用產生的能量如何進入遙遠的”遠場”。同時，他們也能利用計算結果將光子本身可視化。

第一作者、該校物理學院的本傑明-袁（Benjamin Yuen）博士解釋說：”我們的計算使我們能夠將一個看似無法解決的問題轉化為可以計算的東西。 而且，幾乎作為模型的副產品，我們能夠產生光子的圖像，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闢了新的研究途徑。 透過精確定義光子如何與物質及其環境中的其他元素相互作用，科學家可以設計出新的奈米光子技術，從而改變我們安全通訊、檢測病原體或控制分子層級化學反應的方式。

論文的共同作者、伯明翰大學的安吉拉-德梅特里亞杜教授說：”環境的幾何和光學特性對光子的發射方式有著深遠的影響，包括確定光子的形狀、顏色，甚至它存在的可能性有多大。

本傑明-袁（Benjamin Yuen）博士補充說：「這項工作有助於我們加深對光與物質之間能量交換的理解，其次有助於我們更好地理解光是如何向其附近和遠處的環境輻射的。 很多資訊以前都被認為是’噪音’，但現在我們可以理解和利用其中的大量資訊。好的感測器、改進的光伏能源電池或量子計算。

編譯自/ ScitechDaily