新加坡國(guó)立大學(xué)量子技術(shù)中心(CQT)的科學(xué)家揭示出光子的形狀會(huì)影響到其被單個(gè)原子的吸收過(guò)程。他們表示這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義非凡,這表明光子的能量(亦即波長(zhǎng))不再是確定光子行為的唯一因素。
正如所料
論文結(jié)論
CQT的首席科學(xué)家Christian Kurtsiefer和他的研究團(tuán)隊(duì)掌握了如何精確地控制光子形狀。他評(píng)論到,“我們通常不會(huì)想起光子會(huì)在時(shí)空中擴(kuò)散,并且有一定的形狀,但是我們實(shí)驗(yàn)中所用到的光子有4米長(zhǎng)。”
實(shí)驗(yàn)中光子長(zhǎng)度為4米,原子尺寸小于1納米
研究結(jié)果發(fā)表在11月29日的Nature Communications上,實(shí)驗(yàn)中用到銣原子和紅外光子。每次發(fā)射一個(gè)光子到單個(gè)堿金屬原子上。“我們的實(shí)驗(yàn)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(píng)論到。
一個(gè)4米長(zhǎng)的光子穿過(guò)此類(lèi)原子需要13納秒。每當(dāng)一個(gè)光子穿過(guò)原子時(shí),研究團(tuán)隊(duì)會(huì)觀察原子是否被激發(fā)。通過(guò)記錄激發(fā)時(shí)間,研究人員可以得到光子被原子吸收的概率隨時(shí)間的變化關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)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(guò)1500小時(shí)的數(shù)億次測(cè)量結(jié)果表明,對(duì)于兩種類(lèi)型的光子來(lái)說(shuō)它們被銣原子吸收的概率剛好超過(guò)4%。然而,如果從納秒的時(shí)間尺度看,每個(gè)時(shí)刻光子被吸收的概率和光子的形狀有關(guān)。
銣原子被束縛在如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置中
CQT的研究小組發(fā)現(xiàn)如果光子到達(dá)原子時(shí),光子亮度先弱后強(qiáng),那么原子被激發(fā)的峰值概率要比光子亮度先強(qiáng)后弱情況下高超過(guò)50%以上。
正如所料
研究人員預(yù)想原子更容易吸收能量升高的光子,文章的共同作者M(jìn)atthias Steiner解釋到,“受激原子衰減釋放光子的自然過(guò)程造成了這個(gè)現(xiàn)象。原子會(huì)釋放出一個(gè)衰減的光子,如果把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)想象,方程的形式不會(huì)改變,原子自然會(huì)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(xué)的時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的啟發(fā)。”
研究小組認(rèn)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(shù),“在諸如量子通信、傳感器、計(jì)算等涉及到量子技術(shù)的過(guò)程中,通常需要利用光子將信息寫(xiě)入到原子中。光子使原子躍遷到激發(fā)態(tài)。為了設(shè)計(jì)可靠的量子器件,科學(xué)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(shuō)到。
論文結(jié)論
這篇NatureCommunications論文的主要結(jié)論如下:“我們發(fā)現(xiàn)光散射的過(guò)程與光子的包絡(luò)有關(guān)。 相較于隨時(shí)間指數(shù)衰減包絡(luò)形狀的光子,隨時(shí)間指數(shù)上升包絡(luò)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(huì)在更窄的時(shí)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(luò)的連接。”
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