光子让我们能够用眼睛和相机看到东西。当它们到达我们的视网膜或相机传感器时，它们携带有关发射它们的源的信息，或有关它们沿途反弹的物体的信息，使我们的大脑或相机能够构建图像。
然而，光子永远无法捕获其他光子的图像。这是因为它们不以任何方式交互。但现在，伯明翰的物理学家创造了下一个最好的东西：光子形状的精确数学可视化。
“可视化是对纳米颗粒表面原子发射光子的精确模拟，”合著者 Ben Yuen 告诉我们。 “光子的形状受到纳米颗粒的深刻影响，使其发射的可能性增加数千倍，甚至允许它被原子多次重新吸收。”
光子的“形状”是一件棘手的事情，它与描述规则物体的形状并不完全相同。相反，它是一种强度分布——基本上，是一张你可以在某个时间点找到光子的地图。当测量光子的位置时，较亮的区域表明光子在那里的可能性较高。
“可视化正是光子发射后短时间内的分布，”袁告诉我们。 “因为它是一个量子粒子，所以你不能一次测量它，因为测量会破坏它。但是，如果你要多次重复测量检测到光子的位置，你就会准确地看到这种分布。”
“此外，量子力学最奇怪的事情之一是，在检测到光子之前，有关这种强度分布的所有详细信息已经通过我们称为“波函数”的东西存在，这正是我们首先要做的事情时间是可以计算的，”袁继续说道。
那么，在研究光子的漫长历史中，为什么科学家以前无法创造出这种图像呢？事实证明，袁和他的合作者并没有积极尝试——这是一项更一般性研究的副产品。
“我们着手回答一些非常基本的问题：原子和分子如何发射光子，以及它们的环境对此有何影响？”袁告诉我们。 “这是物理学家只能在仅包含单个原子/分子而周围没有其他东西的完美真空中精确模拟的东西。然而，人们很早就知道环境可以对这个过程产生深远的影响，但没有理论可以完全捕捉到它的所有细节。”
为了实现这一目标，该团队开始开发一种量子场论，其中包括与光子相互作用的硅纳米粒子。问题是纳米粒子如何与连续光谱相互作用，本质上具有无限的可能性。幸运的是，研究小组找到了缩小范围的方法。
“我们使用了一个称为复数分析的数学分支，将问题从基于实数的连续集转换为基于多个不同复数的离散集，”袁说。 “虽然这看起来‘复杂’，但这极大地简化了问题，使我们能够准确地将其表示为仅几百个‘复杂’光图案的相互作用。
这项工作顺便让团队创建了上面的光子可视化。
“令人惊讶的是，当我们这样做时，很多细节开始从我们的理论中消失，例如光如何传播以及光子强度分布的确切形状，”袁说。
研究人员表示，这项工作极大地提高了我们对光与物质如何相互作用的理解，这可能在太阳能电池、量子计算和传感器中得到应用。
该研究发表在《物理评论快报》杂志上。
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