伯明罕的研究人員創建了第一個光子影像，這是一種從奈米粒子表面發射的檸檬形光粒子。 11 月 14 日雜誌報導了使這張圖像成為可能的理論 物理評論快報，使科學家能夠計算和理解這些量子粒子的各種特性——這可能會在各個領域開闢一系列新的可能性，例如、光電裝置和人工光合作用。
光的量子行為已得到充分證實，100 多年的實驗證明了這一點。但我們對這種量子性質的基本理解還遠遠落後，我們對光子如何產生和發射，或者它們如何隨空間和時間變化的了解也很有限。
「我們希望能夠理解這些過程以利用量子方面，」第一作者Ben Yuen英國伯明翰大學研究員在一封電子郵件中告訴Live Science。 “光和物質在這個層面上如何真正相互作用？”
然而，光的本質意味著這個問題的答案幾乎具有無限的可能性。 「我們可以認為光子是電磁場的基本激發，」袁解釋。這些場是不同頻率的連續體，每個頻率都可能被激發。 「你可以將一個連續體分成更小的部分，並且在任意兩點之間，仍然有無數個可能的點可以選擇，」袁補充道。
結果是光子的特性在很大程度上取決於其環境的特性，導致一些極其複雜的數學計算。 「乍一看，我們必須寫下並求解無數個方程式才能得出答案，」袁說。
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為了解決這個看似不可能的任務，Yuen 和合著者 安吉拉·德梅特里阿多伯明翰大學理論奈米光子學教授採用了一種巧妙的數學技巧來極大地簡化方程式。
引入虛數（-1 的不可能平方根的倍數）是處理複雜方程式時的強大工具。操縱這些虛部可以使方程中的許多困難項相互抵消。如果在得出解決方案之前將所有虛數轉換回實數，則計算將更加易於管理。
「我們將真實頻率的連續體轉換為一組離散的複雜頻率，」袁解釋道。 “通過這樣做，我們將方程式從連續體簡化為我們可以處理的離散組。我們可以將它們放入計算機中並求解它們。”
該團隊使用這些新計算來模擬從奈米顆粒表面發射的光子的特性，描述與發射器的相互作用以及光子如何從源傳播出去。根據這些結果，該團隊生成了第一個光子圖像，這是物理學中從未見過的檸檬形粒子。
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然而，袁強調，這只是在這些條件下產生的光子的形狀。 「形狀完全隨著環境而變化，」他說。 “這確實是奈米光子學的要點，通過塑造環境，我們可以真正塑造光子本身。”
該團隊的計算提供了對這種量子粒子特性的基本見解——袁相信這些知識將為物理學家、化學家和生物學家等開闢新的研究領域。
「我們可以考慮光電器件、光化學、光捕獲和光伏發電，了解光合作用、生物感測器和量子通信，」袁說。 “並且將會有大量未知的應用。通過研究這種真正的基礎理論，你可以在其他領域解鎖新的可能性。”
