新加坡国立大学量子技术中心(CQT)的科学家揭示出光子的形状会影响到其被单个原子的吸收过程。他们表示这个发现意义非凡,这表明光子的能量(亦即波长)不再是确定光子行为的唯一因素。
正如所料
论文结论
CQT的首席科学家Christian Kurtsiefer和他的研究团队掌握了如何精确地控制光子形状。他评论到,“我们通常不会想起光子会在时空中扩散,并且有一定的形状,但是我们实验中所用到的光子有4米长。”
实验中光子长度为4米,原子尺寸小于1纳米
研究结果发表在11月29日的Nature Communications上,实验中用到铷原子和红外光子。每次发射一个光子到单个碱金属原子上。“我们的实验研究了光和物质的最基本相互作用,”参与研究的博士生Victor Leong评论到。
一个4米长的光子穿过此类原子需要13纳秒。每当一个光子穿过原子时,研究团队会观察原子是否被激发。通过记录激发时间,研究人员可以得到光子被原子吸收的概率随时间的变化关系。
实验分别研究了亮度增加和衰减两种不同形状的光子。持续超过1500小时的数亿次测量结果表明,对于两种类型的光子来说它们被铷原子吸收的概率刚好超过4%。然而,如果从纳秒的时间尺度看,每个时刻光子被吸收的概率和光子的形状有关。
铷原子被束缚在如图所示的实验装置中
CQT的研究小组发现如果光子到达原子时,光子亮度先弱后强,那么原子被激发的峰值概率要比光子亮度先强后弱情况下高超过50%以上。
正如所料
研究人员预想原子更容易吸收能量升高的光子,文章的共同作者Matthias Steiner解释到,“受激原子衰减释放光子的自然过程造成了这个现象。原子会释放出一个衰减的光子,如果把这个过程反过来想象,方程的形式不会改变,原子自然会遇到亮度增加的光子。我们选择这样形状的光子也是受到量子力学的时间反演对称性的启发。”
研究小组认为他们的工作有助于理解利用光和物质相互作用的技术,“在诸如量子通信、传感器、计算等涉及到量子技术的过程中,通常需要利用光子将信息写入到原子中。光子使原子跃迁到激发态。为了设计可靠的量子器件,科学家们就需要控制这种相互作用。只有你理解了这种相互作用,你才能够利用它。”文章的共同作者Alessandro Cerè说到。
论文结论
这篇NatureCommunications论文的主要结论如下:“我们发现光散射的过程与光子的包络有关。 相较于随时间指数衰减包络形状的光子,随时间指数上升包络形状的光子能够更有效地激发原子。利用指数上升形状的光子激发原子,这会在更窄的时间间隔内产生更高的峰值激发概率。这样的同步性有助于量子通信网络的连接。”
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