光的形状：科学家首次揭示单个光子的图像

研究人员利用一项突破性的新技术，公布了有史以来拍摄的第一张详细的光子（单个光粒子）图像。

伯明翰的研究人员创建了第一张光子图像，这是一种从纳米粒子表面发射的柠檬形光粒子。 11 月 14 日《物理评论快报》杂志报道了使这一图像成为可能的理论，该理论使科学家能够计算和理解这些量子粒子的各种特性，这可能会在各个领域开辟一系列新的可能性例如量子计算、光伏器件和人工光合作用。

光的量子行为已得到充分证实，100 多年的实验表明它可以以波和粒子的形式存在。但我们对这种量子性质的基本理解还远远落后，我们对光子如何产生和发射，或者它们如何随空间和时间变化的了解也很有限。

“我们希望能够理解这些过程，以利用量子方面，”第一作者、英国伯明翰大学研究员 Ben Yuen 在一封电子邮件中告诉《Live Science》。 “光和物质在这个层面上如何真正相互作用？”

然而，光的本质意味着这个问题的答案几乎具有无限的可能性。 “我们可以认为光子是电磁场的基本激发，”袁解释道。这些场是不同频率的连续体，每个频率都可能被激发。 “你可以将一个连续体分成更小的部分，并且在任意两点之间，仍然有无数个可能的点可以选择，”袁补充道。

结果是光子的属性在很大程度上取决于其环境的属性，从而导致一些极其复杂的数学计算。 “乍一看，我们必须写下并求解无数个方程才能得出答案，”袁说。

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为了解决这个看似不可能的任务，Yuen 和合著者、伯明翰大学理论纳米光子学教授 Angela Demetriadou 采用了一种巧妙的数学技巧来极大地简化方程。

引入虚数（-1 的不可能平方根的倍数）是处理复杂方程时的强大工具。操纵这些虚部可以使方程中的许多困难项相互抵消。如果在得出解决方案之前将所有虚数转换回实数，则计算将更加易于管理。

“我们将真实频率的连续体转换为一组离散的复杂频率，”袁解释道。 “通过这样做，我们将方程从连续体简化为我们可以处理的离散组。我们可以将它们放入计算机中并求解它们。”

该团队使用这些新计算来模拟从纳米颗粒表面发射的光子的特性，描述与发射器的相互作用以及光子如何从源传播出去。根据这些结果，该团队生成了第一张光子图像，这是一种物理学中从未见过的柠檬形粒子。

然而，袁强调，这只是在这些条件下产生的光子的形状。 “形状完全随着环境而变化，”他说。 “这确实是纳米光子学的要点，通过塑造环境，我们可以真正塑造光子本身。”

该团队的计算提供了对这种量子粒子特性的基本见解——袁相信这些知识将为物理学家、化学家和生物学家等开辟新的研究领域。

“我们可以考虑光电器件、光化学、光捕获和光伏发电，了解光合作用、生物传感器和量子通信，”袁说。 “并且将会有大量未知的应用。通过研究这种真正的基础理论，你可以在其他领域解锁新的可能性。”