Kortlægning af interaktionen af ​​et enkelt atom med en enkelt foton kan informere design af kvanteanordninger

Har du nogensinde spekuleret på, hvordan du ser verden? Syn handler om fotoner af lys, som er energipakker, interagerer med atomerne eller molekylerne i det, du ser på. Nogle fotoner reflekteres, når dine øjne. Andre bliver absorberet. Den vigtigste beslutning om, hvad der sker, er fotonens energi – dens farve.

Men se nøje på det øjeblik, hvor lys møder materie, og der er mere at opdage. Forskere ved Center for Quantum Technologies (CQT) ved National University of Singapore har netop vist, at en fotons form også påvirker, hvordan den absorberes af et enkelt atom.

Vi tænker ikke ofte på fotoner som værende spredt ud i tid og rum og dermed have en form, men dem i dette eksperiment var omkring fire meter lange. Christian Kurtsiefer, Principal Investigator hos CQT, og hans team har lært at forme disse fotoner med ekstrem præcision.

Til forskningen, udgivet 29. november i Naturkommunikation , holdet arbejdede med Rubidium-atomer og infrarøde fotoner. De lyste fotonerne en ad gangen på et enkelt atom.

"Vores eksperimenter ser på den mest fundamentale interaktion mellem stof og lys" siger Victor Leong, for hvem arbejdet bidrog til en ph.d.-grad.

En fire meter lang foton tager omkring 13 nanosekunder at passere atomet. Hver gang en foton blev sendt mod atomet, holdet så for at se, om og hvornår atomet blev ophidset. Ved at notere excitationstiderne og samle dem sammen, forskerne kunne kortlægge sandsynligheden for, at atomet absorberer fotonen som funktion af tiden.

Holdet testede to forskellige fotonformer - en med stigende lysstyrke, den anden forfalder. Hundredvis af millioner af målinger foretaget over 1500 timer viste, at den samlede sandsynlighed for, at et enkelt Rubidium-atom ville absorbere en enkelt foton af begge typer, var lidt over 4%. Imidlertid, da holdet så på processen på nanoskala tidsrammer, de så, at sandsynligheden for absorption i hvert øjeblik afhænger af fotonens form.

Forskerne fandt ud af, at hvis fotonen ankom svagt, fra atomets synspunkt, så endte lyst, spidssandsynligheden for excitation var lidt over 50 % højere, end da fotonen ankom lysstærk og havde en lang, falmende hale.

Forskere havde forventet, at atomer ville foretrække at opsuge de stigende fotoner. Det er på grund af, hvad der sker naturligt, når et exciteret atom henfalder. Derefter, atomet spytter en henfaldende foton ud. Forestil dig at køre processen baglæns - ligningerne siger, at det skal se ens ud - og atomet ville ankomme med stigende lysstyrke. "Vores valg af fotonform var inspireret af kvantemekanikkens tidssymmetri, " siger medforfatter Matthias Steiner.

Arbejdet opbygger også forståelse for teknologier, der er afhængige af lys-stof-interaktioner. Nogle forslag til kvanteteknologier såsom kommunikationsnetværk, sensorer og computere kræver, at en foton skriver information ind i et atom ved at blive absorberet. Fotonen banker atomet i en exciteret tilstand. For at bygge pålidelige enheder, videnskabsmænd bliver nødt til at kontrollere interaktionen. "Du kan kun konstruere, hvad du kan forstå, " siger medforfatter Alessandro Cerè.