單一光子大突破 科學家首次揭示形狀

光子是電磁場中最小的能量形式，通稱光。最新研究揭示單個光子的形狀，在物理學中前所未見。

這項研究成果已發表在《物理評論通訊》（Physical Review Letters）期刊，鉅細靡遺的描述光量子如何由原子發射，以及如何受環境影響。雖然這些相互作用發生的方式有無限的可能，但研究人員表示，他們已經開發出一種實用的方法來預測它們。

「我們的演算將一個看似無解的問題，轉化為可以計算的問題。」研究第一作者、英國伯明罕大學物理學家班傑明．袁（Benjamin Yuen）表示。「而且，幾乎是作為模型的副產品，我們能夠產生光子影像，這在物理學中前所未見。」

光子形狀難確定

賦予光子特定形狀是一項艱鉅任務，因為這些無質量的基本粒子表現出波粒二象性，這是量子領域中物體的奇特特徵，受神祕的「不確定性」原理支配。

科學家認為，觀察方式不同，光子可以表現出粒子特性，也可以表現出波的特性。光子也被理解為電磁場中的激發，或像是離散能量的漣漪。

光子非常難以琢磨，而且使問題更加複雜的是，光與周圍環境及發射它們的原子的相互作用，有無限可能。

研究人員表示，他們可借助古典力學將這些可能性簡化為離散集合，或將它們劃分為「虛擬模態」（pseudo-mode），來規避這種情況，從而簡化他們對光子相互作用的思考。

改變奈米光學技術發展

研究人員表示，以這種方式建立光子模式的優勢在於，可以準確描述微小粒子如何傳播到遠場，指物體周圍電磁場的遠處區域。而以往的方法在近場和遠場之間脫節，無法提供量子層面光系統完整圖像。

「這項研究幫助我們加深對光與物質之間能量交換的理解，其次，更好的理解光如何輻射到附近和遠處的環境中。」袁說，「這些資訊中很多之前被認為只是『噪音』──但其中含有非常多的資訊，我們現在可以理解並加以利用。」

這項新理解具有非常實際的意義。對量子物理學家和材料科學家來說，它可能會改變奈米光學技術的發展，促進光伏電池或量子計算的改進還有通訊技術的進步。◇