Heb je je ooit afgevraagd hoe je de wereld ziet? Visie gaat over fotonen van licht, dat zijn energiepakketten, interactie met de atomen of moleculen waar je naar kijkt. Sommige fotonen weerkaatsen, uw ogen bereiken. Anderen worden geabsorbeerd. De belangrijkste beslisser wat er gebeurt, is de energie van het foton - zijn kleur.

Maar kijk goed naar het moment dat licht de materie ontmoet, en er valt nog meer te ontdekken. Wetenschappers van het Center for Quantum Technologies (CQT) van de National University of Singapore hebben zojuist aangetoond dat de vorm van een foton ook van invloed is op hoe het wordt geabsorbeerd door een enkel atoom.

We denken niet vaak dat fotonen verspreid zijn in tijd en ruimte en dus een vorm hebben, maar die in dit experiment waren zo'n vier meter lang. Christian Kurtsiefer, Hoofdonderzoeker bij CQT, en zijn team hebben geleerd deze fotonen met uiterste precisie te vormen.

Voor het onderzoek, gepubliceerd 29 november in Natuurcommunicatie , het team werkte met Rubidium-atomen en infraroodfotonen. Ze schenen de fotonen een voor een op een enkel atoom.

"Onze experimenten kijken naar de meest fundamentele interactie tussen materie en licht", zegt Victor Leong, voor wie het werk heeft bijgedragen aan een doctoraat.

Een foton van vier meter doet er ongeveer 13 nanoseconden over om het atoom te passeren. Elke keer dat een foton naar het atoom werd gestuurd, het team keek of en wanneer het atoom opgewonden raakte. Door de opwindingstijden te noteren en deze bij elkaar te verzamelen, de onderzoekers konden de kans dat het atoom het foton absorbeert als functie van de tijd in kaart brengen.

Het team testte twee verschillende fotonvormen:de ene stijgt in helderheid, de ander vergaat. Honderden miljoenen metingen, uitgevoerd gedurende 1500 uur, toonden aan dat de algehele waarschijnlijkheid dat een enkel Rubidium-atoom een ​​enkel foton van elk type zou absorberen iets meer dan 4% was. Echter, toen het team het proces op nanoschaal tijdframes bekeek, ze zagen dat de kans op absorptie op elk moment afhangt van de vorm van het foton.

De onderzoekers ontdekten dat als het foton vaag arriveerde, vanuit het oogpunt van het atoom, eindigde toen helder, de piekwaarschijnlijkheid van excitatie was iets meer dan 50% hoger dan toen het foton helder arriveerde en een lange, vervagende staart.

Onderzoekers hadden verwacht dat atomen er de voorkeur aan zouden geven de stijgende fotonen op te nemen. Dat komt door wat er van nature gebeurt als een aangeslagen atoom vervalt. Vervolgens, het atoom spuugt een rottend foton uit. Stel je voor dat je het proces achteruit laat lopen - de vergelijkingen zeggen dat het er hetzelfde uit zou moeten zien - en het atoom zou aankomen met toenemende helderheid. "Onze keuze voor de vorm van een foton werd geïnspireerd door de tijdsymmetrie van de kwantummechanica, ", zegt coauteur Matthias Steiner.

Het werk bouwt ook begrip op voor technologieën die afhankelijk zijn van interacties tussen licht en materie. Enkele voorstellen voor kwantumtechnologieën zoals communicatienetwerken, sensoren en computers vereisen dat een foton informatie in een atoom schrijft door te worden geabsorbeerd. Het foton brengt het atoom in een aangeslagen toestand. Om betrouwbare apparaten te bouwen, wetenschappers zullen de interactie moeten beheersen. "Je kunt alleen construeren wat je kunt begrijpen, ", zegt co-auteur Alessandro Cerè.