單一光子大突破 科學家首次揭示形狀

一篇引人入勝的新論文描述了單個光子的形狀，這是我們通常所知的電磁場中最小的能量形式，即單個光量子。

這項研究於2024年11月14日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊上，以鉅細靡遺的方式描述了光量子如何由原子發射並受到其環境的影響。雖然這些相互作用發生的方式有無限的可能性，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法解決的問題，轉化為可以計算的東西。」該研究的第一作者、英國伯明罕大學的物理學家班傑明．袁（Benjamin Yuen）在一份聲明中表示。「而且，幾乎是作為我們模型的副產品，我們能夠產生這幅光子的圖像，這在物理學中是前所未見的。」

光子的形狀

為光子賦予特定形狀是一項艱鉅的任務，因為這些無質量的基本粒子表現出波粒二象性，這是量子領域中微觀物體的一種奇特特徵，受神祕的「不確定性」原理所支配。

這意味著科學家認為，根據觀察方式的不同，光子可以表現出粒子特性，也可以表現出波的特性。此外，光子也被理解為一種電磁場中的激發，或像是離散能量的漣漪。

簡而言之，它們非常難以琢磨。將此進一步複雜化的情況是，光與其周圍環境及發射它們的原子之間的相互作用有無限種可能方式。

但研究人員表示，他們能夠借助經典力學將這些可能性簡化為離散集合來繞過這一點──或將它們劃分為「偽模態」（pseudo-mode）──從而簡化他們對光子相互作用的思考。

具有重要意義

根據研究人員的說法，以這種方式對光子建模的優勢在於，它可以準確描述這些微小粒子如何進入一個稱為遠場的物體周圍的電磁場的遙遠區域。以往的方法在近場和遠場之間存在脫節，提供了量子層面上光系統的不完整圖像。

「這項工作幫助我們增進對光與物質之間能量交換的理解，其次是更好的理解光如何輻射到其附近和遙遠的環境中。」袁說：「許多這些資料之前被認為只是『噪音』──但其中有如此多的資料，我們現在可以理解並加以利用。」

這一新理解具有非常實際的意義。對於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「光伏能量電池或量子計算的改進」，袁說，還有通信技術的進步。◇