Ti sei mai chiesto come vedi il mondo? La visione riguarda i fotoni di luce, che sono pacchetti di energia, interagendo con gli atomi o le molecole in ciò che stai guardando. Alcuni fotoni si riflettono, raggiungere i tuoi occhi. Altri vengono assorbiti. Il principale fattore decisivo di ciò che accade è l'energia del fotone, il suo colore.

Ma guarda bene il momento in cui la luce incontra la materia, e c'è altro da scoprire. Gli scienziati del Center for Quantum Technologies (CQT) della National University of Singapore hanno appena dimostrato che la forma di un fotone influenza anche il modo in cui viene assorbito da un singolo atomo.

Non pensiamo spesso ai fotoni come sparsi nel tempo e nello spazio e quindi aventi una forma, ma quelli in questo esperimento erano lunghi circa quattro metri. Christian Kurtsiefer, Principal Investigator presso CQT, e il suo team hanno imparato a modellare questi fotoni con estrema precisione.

Per la ricerca, pubblicato il 29 novembre in Comunicazioni sulla natura , il team ha lavorato con atomi di rubidio e fotoni infrarossi. Hanno proiettato i fotoni uno alla volta su un singolo atomo.

"I nostri esperimenti esaminano l'interazione più fondamentale tra materia e luce", afferma Victor Leong, per i quali il lavoro ha contribuito a un dottorato di ricerca.

Un fotone di quattro metri impiega circa 13 nanosecondi per passare l'atomo. Ogni volta che un fotone veniva inviato verso l'atomo, la squadra ha guardato per vedere se e quando l'atomo si è eccitato. Annotando i tempi di eccitazione e raccogliendoli insieme, i ricercatori potrebbero mappare la probabilità che l'atomo assorba il fotone in funzione del tempo.

Il team ha testato due diverse forme di fotoni:una che aumenta di luminosità, l'altro decadente. Centinaia di milioni di misurazioni effettuate in 1500 ore hanno mostrato che la probabilità complessiva che un singolo atomo di rubidio assorbisse un singolo fotone di entrambi i tipi era di poco superiore al 4%. Però, quando il team ha esaminato il processo su tempistiche su scala nanometrica, hanno visto che la probabilità di assorbimento in ogni momento dipende dalla forma del fotone.

I ricercatori hanno scoperto che se il fotone arrivava debolmente, dal punto di vista dell'atomo, poi si è conclusa brillantemente, la probabilità di picco di eccitazione era di poco superiore al 50% rispetto a quando il fotone è arrivato luminoso e aveva un lungo, coda sbiadita.

I ricercatori si aspettavano che gli atomi preferissero assorbire i fotoni in aumento. Ciò è dovuto a ciò che accade naturalmente quando un atomo eccitato decade. Quindi, l'atomo sputa un fotone in decadimento. Immagina di eseguire il processo all'indietro - le equazioni dicono che dovrebbe sembrare lo stesso - e l'atomo arriverà con l'aumento della luminosità. "La nostra scelta della forma del fotone è stata ispirata dalla simmetria temporale della meccanica quantistica, ", afferma il coautore Matthias Steiner.

Il lavoro sviluppa anche la comprensione per le tecnologie che si basano sulle interazioni luce-materia. Alcune proposte di tecnologie quantistiche come le reti di comunicazione, sensori e computer richiedono che un fotone scriva informazioni in un atomo per essere assorbito. Il fotone mette l'atomo in uno stato eccitato. Per costruire dispositivi affidabili, gli scienziati dovranno controllare l'interazione. "Puoi progettare solo ciò che puoi capire, " afferma il coautore Alessandro Cerè.