光的形状：科学家从来首次揭示一个单个光子的图像

By Victoria Atkinson

 published 15 hours ago

Quantum Physics

用一种突破性新技术，研究人员已经公开了从来拍摄的光子一个单个光粒子的第一幅详细图像。

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一项突破性的新技术已经揭示了从来拍摄的第一张一个单个光子的详细图像。 (Image credit: Ben Yuen and Angela Demetriadou)

伯明翰的研究人员已经创建了一个光子的第一张图像，从一个纳米粒子表面发射的一个光的粒子的柠檬形状。11 月 14 日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上报告了使这张图像成为可能的理论，使科学家能够来计算和理解这些量子粒子的各种属性——这可能在跨诸如量子计算、光伏装置和人工光合领域开辟一系列新的可能性。

光的量子行为是很好既成的，100 多年的实验表明它能以波和粒子形式存在。但我们的这种量子性质的基本理解是远更落后的，光子如何被创造和发射或者它们如何随空间和时间变化我们仅有一个有限的了解。

第一作者、英国伯明翰大学研究员原本（Ben Yuen ）在一封电子邮件中告诉生活科学杂志，“我们要能够来理解这些过程来利用那个量子方面在这个水平上光和物质是如何真的相互作用呢？”

然而，光的非常本质意味着对这个问题的答案几乎有无限的可能性。原解释说，“我们能认为一个光子是一个电磁场的基本激发。这些场是一个不同频率的连续体，其中每个频率潜在的变得被激发”。原补充道，“你能将一个连续体分裂成更小的部分而在任意两个点之间你仍然有一个你能拾起的无限数量可能性的点” 。

结果是一个光子的属性重大的依赖它的环境的属性，导致一些难以置信复杂的数学。原说，“乍一看我们将不得不写下并求解一个无数个方程来得出一个答案”。

为解决这个看似不可能的任务，原和合著者、伯明翰大学理论纳米光子学教授安杰拉（Angela Demetriadou ）采用了一种巧妙的数学技巧来急剧的简化方程式。

引入虚数----1 的不可能的平方根的倍数--当处理复杂方程式时是一个强大的工具。操纵这些虚构的分量允许在方程中的许多困难项彼此抵消掉。在得出解决方案之前所有虚数被转换回实数，这留下一个远更可操纵的计算。

原解释说，“我们将真实频率的连续体转化成一组离散的复数频率，通过这样做我们将方程从一个连续体简化成一个我们能处理的离散集。我们能把这些问题放进一台电脑里解决”。

该团队使用这些新计算来建模从一个纳米粒子表面发射的光子的属性，描述与发射器的相互作用和光子如何离开源传播的。从这些结果，该团队生成了第一张一个光子的图像，这是一种之前在物理学中从未见过的柠檬形粒子。

然而原强调，这只是在这些条件下产生的一个光子的形状。他说，“形状完全的随环境变化，这真的是纳米光子学的点，通过形成这种环境，我们能真的形成光子本身” 。

该团队的计算提供一个解决这种量子粒子的属性的基本探究——原相信这些知识将为物理学家、化学家和生物学家开辟新的研究路线。

原说，“我们可以思考光电子装置、光化学、光收集和光伏、了解光合作用、生物传感器和量子通信，而且将会有一大堆未知的应用。通过做这种真正基础的理论，你解锁在其他领域中新的可能性”。

https://www.livescience.com/physics-mathematics/quantum-physics/the-shape-of-light-scientists-reveal-image-of-an-individual-photon-for-1st-time-ever