当我们观察周围的世界时，我们所看到的一切都归功于光。光反射、折射并相互作用，传递着它所接触物体的形状和深度。
那么，光本身呢？
物理学家们现在利用一种新颖的理论模型，模拟出了从纳米颗粒表面发射的光子（光的最小单位）的形状。这些发现让我们对光的行为有了新的理解。这可能为纳米光子学和量子技术的创新铺平道路。
“我们成功地生成了一个光子的图像，这是物理学中前所未见的，”研究的主要作者、理论物理学家本·袁说。
光子看起来是什么样的？
这幅由伯明翰大学的研究人员制作的可视化图像并不是一张照片；光子是无法直接拍摄的。相反，它是通过量子计算得出的详细模拟。“我们的计算使我们能够将一个看似无法解决的问题转化为可以计算的东西，”袁博士说。“而且，几乎是模型的副产品，我们能够生成这个光子的图像，这是物理学中前所未见的。”
在这种情况下，物理学家所定义的光子的“形状”是强度分布——一张显示光子在特定时刻最可能出现位置的地图。更亮的区域表示光子出现的可能性更高。袁博士进一步为新地图解释道：“因为它是量子粒子，无法一次性测量，因为测量会导致其消失。不过，如果你多次重复测量，就会看到这种分布。”
这一成就需要在量子场论上进行重大突破，结合复杂分析与纳米粒子之间的相互作用。通过模拟从一个位于硅纳米粒子上的原子发射的光子，研究人员指出了一个重要的观察结果：环境对光子的影响是深远的。例如，纳米粒子使光子发射的几率提高了数千倍，甚至使光子能够被原子多次重新吸收。
这有什么重要意义呢？
通过更深入地理解光和物质之间的基本相互作用，科学家们可以设计先进的技术。这些发现可能在量子计算、可再生能源等多个领域中发挥作用。“通过理解这一点，我们为未来应用工程光-物质相互作用奠定了基础，”袁说。“比如更好的传感器、改进的光伏电池，或者量子计算。”
例如，在量子信息系统中，光子的形状可能会影响它传递数据的效率。在生物系统中，它可能帮助科学家理解光是如何驱动像光合作用这样的化学反应的。
传统上，科学家使用简化的方程来模拟这种相互作用，将光视为在空旷的空间中传播或在腔体中的镜子之间反射。然而，当光与复杂材料（如纳米颗粒、量子点或生物分子）相互作用时，这些方法就会失效，因为周围环境的几何形状会显著重塑光子本身。
“环境的几何形状和光学特性对光子的发射影响深远，包括定义光子的形状、颜色，甚至它存在的可能性，”合著者、伯明翰大学的理论纳米光子学教授安吉拉·德梅特里亚杜表示。
这意味着光子并没有固定的形态。每个光子都是由它所处的环境雕塑而成——它的“身体”是由周围的电磁场塑造的。因此，每个光子的‘形状’都不一样，具体取决于它与哪些材料相互作用。
在这种情况下，Yuen 和 Demetriadou 模拟了一个直径仅为一微米的硅纳米粒子发射的光子。结果形成了一个不对称的柠檬形结构——其不对称性直接反映了粒子表面对光子产生的量子场的影响。
“这正是纳米光子学的核心，”Yuen 说。“通过塑造环境，我们可以真正塑造光子本身。”
对于光子这种难以捉摸的粒子来说，这无疑是个启发性的发现。
这些发现发表在期刊 物理评论快报 上。
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