新加坡國立大學量子技術中心(CQT)的科學家揭示出光子的形狀會影響到其被單個原子的吸收過程。他們表示這個發(fā)現(xiàn)意義非凡,這表明光子的能量(亦即波長)不再是確定光子行為的唯一因素。
正如所料
論文結論
CQT的首席科學家Christian Kurtsiefer和他的研究團隊掌握了如何精確地控制光子形狀。他評論到,“我們通常不會想起光子會在時空中擴散,并且有一定的形狀,但是我們實驗中所用到的光子有4米長。”
實驗中光子長度為4米,原子尺寸小于1納米
研究結果發(fā)表在11月29日的Nature Communications上,實驗中用到銣原子和紅外光子。每次發(fā)射一個光子到單個堿金屬原子上。“我們的實驗研究了光和物質(zhì)的最基本相互作用,”參與研究的博士生Victor Leong評論到。
一個4米長的光子穿過此類原子需要13納秒。每當一個光子穿過原子時,研究團隊會觀察原子是否被激發(fā)。通過記錄激發(fā)時間,研究人員可以得到光子被原子吸收的概率隨時間的變化關系。
實驗分別研究了亮度增加和衰減兩種不同形狀的光子。持續(xù)超過1500小時的數(shù)億次測量結果表明,對于兩種類型的光子來說它們被銣原子吸收的概率剛好超過4%。然而,如果從納秒的時間尺度看,每個時刻光子被吸收的概率和光子的形狀有關。
銣原子被束縛在如圖所示的實驗裝置中
CQT的研究小組發(fā)現(xiàn)如果光子到達原子時,光子亮度先弱后強,那么原子被激發(fā)的峰值概率要比光子亮度先強后弱情況下高超過50%以上。
正如所料
研究人員預想原子更容易吸收能量升高的光子,文章的共同作者Matthias Steiner解釋到,“受激原子衰減釋放光子的自然過程造成了這個現(xiàn)象。原子會釋放出一個衰減的光子,如果把這個過程反過來想象,方程的形式不會改變,原子自然會遇到亮度增加的光子。我們選擇這樣形狀的光子也是受到量子力學的時間反演對稱性的啟發(fā)。”
研究小組認為他們的工作有助于理解利用光和物質(zhì)相互作用的技術,“在諸如量子通信、傳感器、計算等涉及到量子技術的過程中,通常需要利用光子將信息寫入到原子中。光子使原子躍遷到激發(fā)態(tài)。為了設計可靠的量子器件,科學家們就需要控制這種相互作用。只有你理解了這種相互作用,你才能夠利用它。”文章的共同作者Alessandro Cerè說到。
論文結論
這篇NatureCommunications論文的主要結論如下:“我們發(fā)現(xiàn)光散射的過程與光子的包絡有關。 相較于隨時間指數(shù)衰減包絡形狀的光子,隨時間指數(shù)上升包絡形狀的光子能夠更有效地激發(fā)原子。利用指數(shù)上升形狀的光子激發(fā)原子,這會在更窄的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生更高的峰值激發(fā)概率。這樣的同步性有助于量子通信網(wǎng)絡的連接。”
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