【科学】突破性发现 科学家首次界定单个光子的形状
文摘
2024-12-12 08:50
日本
一项新研究称，在研究光子与物质在微观量子世界中如何相互作用的过程中，首次发现了单光子的形状。一篇引人入胜的新论文描述了单个光子的形状，这是我们通常所知的电磁场中最小的能量形式，即单个光量子。这项研究于2024年11月14日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上，以钜细靡遗的方式描述了光量子如何由原子发射并受到其环境的影响。虽然这些相互作用发生的方式有无限的可能性，但研究人员表示他们已经开发出一种实用的方法来预测它们。“我们的演算将一个看似无法解决的问题，转化为可以计算的东西。”该研究的第一作者、英国伯明翰大学的物理学家本杰明‧袁（Benjamin Yuen）在一份声明中表示。“而且，几乎是作为我们模型的副产品，我们能够产生这幅光子的图像，这在物理学中是前所未见的。”为光子赋予特定形状是一项艰钜的任务，因为这些无质量的基本粒子表现出波粒二象性，这是量子领域中微观物体的一种奇特特征，受神秘的“不确定性”原理所支配。这意味着科学家认为，根据观察方式的不同，光子可以表现出粒子特性，也可以表现出波的特性。此外，光子也被理解为一种电磁场中的激发，或像是离散能量的涟漪。简而言之，它们非常难以琢磨。将此进一步复杂化的情况是，光与其周围环境及发射它们的原子之间的相互作用有无限种可能方式。但研究人员表示，他们能够借助经典力学将这些可能性简化为离散集合来绕过这一点——或将它们划分为“伪模态”（pseudo-mode）——从而简化他们对光子相互作用的思考。根据研究人员的说法，以这种方式对光子建模的优势在于，它可以准确描述这些微小粒子如何进入一个称为远场的物体周围的电磁场的遥远区域。以往的方法在近场和远场之间存在脱节，提供了量子层面上光系统的不完整图像。“这项工作帮助我们增进对光与物质之间能量交换的理解，其次是更好地理解光如何辐射到其附近和遥远的环境中。”袁说：“许多这些信息之前被认为只是‘噪音’——但其中有如此多的信息，我们现在可以理解并加以利用。”这一新理解具有非常实际的意义。对于量子物理学家和材料科学家来说，它可能会改变纳米光学技术的发展，促进“光伏能量电池或量子计算的改进”，袁说，还有通信技术的进步。
