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新理論首次精確定義單光子形狀

  近日,據(jù)最新一期《物理評論快報》雜志報道,英國伯明翰大學(xué)科學(xué)家提出一種新理論,以前所未有的詳細程度探討了光子(光的單個粒子)的本質(zhì)。該理論首次精確定義了單個光子的形狀,改變了人們對光與物質(zhì)在量子層面如何相互作用的理解,代表了人們對光的理解的重大飛躍。這一理論為將來在實踐中應(yīng)用光—物質(zhì)相互作用工程奠定了基礎(chǔ),例如制造更好的傳感器、改進的光伏能源電池或量子計算等等。

  這一理論揭示了光子如何由原子或分子發(fā)射,并受到周圍環(huán)境的影響而呈現(xiàn)出特定形狀。這種復(fù)雜的相互作用使得光在周圍環(huán)境中存在和傳播的可能性變得無限多樣。然而,可能性太多也使得構(gòu)建相互作用模型變得異常困難,而這也是量子物理學(xué)家?guī)资陙硪恢痹谂鉀Q的問題。

  團隊將這些可能性劃分為不同的集合,從而構(gòu)建出一個綜合模型。該模型不僅闡述了光子與發(fā)射體之間的相互作用,還描述了這種相互作用產(chǎn)生的能量如何傳播到遙遠的“遠場”。同時,團隊還通過計算生成了光子本身的可視化圖像。

  這項研究意義重大,因為它為量子物理學(xué)和材料科學(xué)開辟了新的研究領(lǐng)域。通過準確描述光子與物質(zhì)以及其他環(huán)境因素之間的相互作用,科學(xué)家可以設(shè)計出新的納米光子技術(shù),從而改變安全通信、病原體檢測或分子層面化學(xué)反應(yīng)控制的方式。

  環(huán)境的幾何形狀和光學(xué)特性對光子的發(fā)射方式有著深遠影響,包括決定光子的形狀、顏色,甚至其存在的可能性。這項研究有助于加深對光與物質(zhì)之間能量交換的理解,并更好地理解光是如何向周圍和遠距離環(huán)境輻射的。之前,這些信息中有很多被視為“噪聲”,但現(xiàn)在,科學(xué)家可以理解并利用其中的大量信息。

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