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 日杂志报道了使这幅图像成为可能的理论 物理评论快报，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、光伏装置和人工光合作用。
光的量子行为已得到充分证实，100 多年的实验证明了这一点。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Ben Yuen英国伯明翰大学研究员告诉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。
结果是光子的特性在很大程度上取决于其环境的特性，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 安吉拉·德梅特里阿多伯明翰大学理论纳米光子学教授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。”
