Вы когда-нибудь задумывались, каким вы видите мир? Видение — это фотоны света, которые представляют собой пакеты энергии, взаимодействующие с атомами или молекулами того, на что вы смотрите. Некоторые фотоны отражаются и достигают ваших глаз.
Другие увлекаются. Главный решающий фактор — это энергия фотона — его цвет.Но посмотрите внимательно на момент, когда свет встречается с материей, и вы обнаружите еще кое-что. Ученые из Центра квантовых технологий (CQT) Национального университета Сингапура только что показали, что форма фотона также влияет на то, как он поглощается отдельным атомом.
Мы не часто думаем о фотонах как о разбросанных во времени и пространстве и, следовательно, имеющих форму, но фотоны в этом эксперименте были около четырех метров в длину. Кристиан Курцифер, главный исследователь CQT, и его команда научились формировать эти фотоны с исключительной точностью.В исследовании, опубликованном 29 ноября в Nature Communications, команда работала с атомами рубидия и инфракрасными фотонами. Они направили фотоны по одному на один атом.
«Наши эксперименты изучают наиболее фундаментальное взаимодействие между материей и светом», — говорит Виктор Леонг, работа которого способствовала получению степени доктора философии.Четырехметровому фотону требуется около 13 наносекунд, чтобы пройти через атом. Каждый раз, когда к атому посылался фотон, команда наблюдала, когда атом возбуждался.
Отмечая времена возбуждения и собирая их вместе, исследователи могли составить карту вероятности поглощения фотона атомом как функции времени.Команда проверила две разные формы фотонов: одна возрастает по яркости, а другая затухает. Сотни миллионов измерений, проведенных в течение 1500 часов, показали, что общая вероятность того, что один атом рубидия поглотит один фотон любого типа, составляет чуть более 4%. Однако, когда команда посмотрела на процесс на наноразмерных временных рамках, они увидели, что вероятность поглощения в каждый момент времени зависит от формы фотона.
Исследователи обнаружили, что если фотон прибыл смутно, с точки зрения атома, а затем закончился ярко, пиковая вероятность возбуждения была чуть более чем на 50% выше, чем когда фотон пришел ярким и имел длинный исчезающий хвост.Исследователи ожидали, что атомы могут предпочесть поглощать восходящие фотоны.
Это из-за того, что происходит естественным образом при распаде возбужденного атома. Затем атом излучает распадающийся фотон. Представьте, что процесс идет в обратном направлении — уравнения говорят, что он должен выглядеть так же, — и атом прибудет с нарастающей яркостью. «Наш выбор формы фотона был вдохновлен временной симметрией квантовой механики», — говорит соавтор Матиас Штайнер.Работа также помогает понять технологии, основанные на взаимодействии легкой материи.
Некоторые предложения по квантовым технологиям, таким как сети связи, датчики и компьютеры, требуют, чтобы фотон записывал информацию в атом путем поглощения. Фотон переводит атом в возбужденное состояние.
Чтобы создать надежные устройства, ученым нужно будет контролировать взаимодействие. «Вы можете спроектировать только то, что можете понять», — говорит соавтор Алессандро Сере.