El mapeo de la interacción de un solo átomo con un solo fotón puede informar el diseño de dispositivos cuánticos.
¿Alguna vez te has preguntado cómo ves el mundo? La visión se trata de fotones de luz, que son paquetes de energía, que interactúan con los átomos o moléculas en lo que estás mirando. Algunos fotones se reflejan y llegan a tus ojos. Otros captanabsorbido. El principal decisor de lo que sucede es la energía del fotón: su color.
Pero observe de cerca en el momento en que la luz se encuentra con la materia, y hay más por descubrir. Los científicos del Centro de Tecnologías Cuánticas CQT de la Universidad Nacional de Singapur acaban de demostrar que la forma de un fotón también afecta la forma en que es absorbida porun solo átomo
No solemos pensar que los fotones se extiendan en el tiempo y en el espacio y que, por lo tanto, tengan una forma, pero los de este experimento tenían unos cuatro metros de largo. Christian Kurtsiefer, investigador principal de CQT, y su equipo han aprendido ada forma a estos fotones con extrema precisión.
Para la investigación, publicada el 29 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza , el equipo trabajó con átomos de rubidio y fotones infrarrojos. Brillaron los fotones de uno en uno en un solo átomo.
"Nuestros experimentos analizan la interacción más fundamental entre la materia y la luz", dice Victor Leong, para quien el trabajo contribuyó a un doctorado.
Un fotón de cuatro metros tarda unos 13 nanosegundos en pasar el átomo. Cada vez que se enviaba un fotón hacia el átomo, el equipo observaba si el átomo se excitaba y cuándo lo hacía. Al observar los tiempos de excitación y reunirlos, ellos investigadores podrían mapear la probabilidad de que el átomo absorba el fotón en función del tiempo.
El equipo probó dos formas de fotones diferentes: una aumentando el brillo y la otra decayendo. Cientos de millones de mediciones realizadas durante 1500 horas mostraron que la probabilidad general de que un solo átomo de rubidio absorbiera un solo fotón de cualquier tipo había terminado4%. Sin embargo, cuando el equipo observó el proceso en plazos de nanoescala, vieron que la probabilidad de absorción en cada momento depende de la forma del fotón.
Los investigadores descubrieron que si el fotón llegaba tenuemente, desde el punto de vista del átomo, luego terminaba brillantemente, la probabilidad máxima de excitación era un 50% más alta que cuando el fotón llegó brillante y tenía una cola larga y desvanecida.
Los investigadores habían esperado que los átomos prefirieran absorber los fotones ascendentes. Esto se debe a lo que sucede naturalmente cuando un átomo excitado se desintegra. Luego, el átomo escupe un fotón en descomposición. Imagínese ejecutar el proceso hacia atrás; las ecuaciones dicen que debería verselo mismo, y el átomo llegaría con un brillo creciente. "Nuestra elección de la forma del fotón se inspiró en la simetría del tiempo de la mecánica cuántica", dice el coautor Matthias Steiner.
El trabajo también desarrolla la comprensión de tecnologías que dependen de interacciones de materia de luz. Algunas propuestas de tecnologías cuánticas como redes de comunicación, sensores y computadoras requieren que un fotón escriba información en un átomo al ser absorbido. El fotón golpea al átomo en unestado excitado. Para construir dispositivos confiables, los científicos necesitarán controlar la interacción. "Solo puedes diseñar lo que puedes entender", dice el coautor Alessandro Cerè.
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Materiales proporcionado por Universidad Nacional de Singapur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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