¿Alguna vez te has preguntado cómo ves el mundo? La visión se trata de fotones de luz, que son paquetes de energía, interactuando con los átomos o moléculas en lo que estás mirando. Algunos fotones se reflejan alcanzando tus ojos. Otros se absorben. El factor decisivo principal de lo que sucede es la energía del fotón:su color.

Pero mira de cerca 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 absorbido por un solo átomo.

A menudo no pensamos en los fotones como si estuvieran esparcidos en el tiempo y el espacio y, por lo tanto, tengan una forma, pero los de este experimento tenían unos cuatro metros de largo. Christian Kurtsiefer, Investigador principal en CQT, y su equipo han aprendido a dar forma a estos fotones con extrema precisión.

Para la investigación, publicado el 29 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza , el equipo trabajó con átomos de rubidio y fotones infrarrojos. Hacían brillar los fotones uno a la vez sobre 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 observó para ver si el átomo se excitaba y cuándo. Al anotar los tiempos de excitación y recopilarlos, los investigadores pudieron trazar un mapa de la probabilidad de que el átomo absorbiera el fotón en función del tiempo.

El equipo probó dos formas de fotones diferentes:una que aumenta en brillo, el otro en descomposición. 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 era de poco más del 4%. Sin embargo, cuando el equipo analizó el proceso en marcos de tiempo a nanoescala, vieron que la probabilidad de absorción en cada momento depende de la forma del fotón.

Los investigadores encontraron que si el fotón llegaba débilmente, desde el punto de vista del átomo, luego terminó brillantemente, la probabilidad máxima de excitación fue un poco más del 50% más alta que cuando el fotón llegó brillante y tuvo un largo, cola que se desvanece.

Los investigadores esperaban que los átomos prefirieran absorber los fotones ascendentes. Eso 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 al revés (las ecuaciones dicen que debería verse igual) y el átomo llegaría con un brillo creciente. "Nuestra elección de la forma del fotón se inspiró en la simetría temporal de la mecánica cuántica, "dice el coautor Matthias Steiner.

El trabajo también fomenta la comprensión de las tecnologías que se basan en las interacciones de la luz y la materia. Algunas propuestas de tecnologías cuánticas como las redes de comunicación, Los sensores y las computadoras requieren que un fotón escriba información en un átomo al ser absorbido. El fotón golpea al átomo en un estado excitado. Para construir dispositivos confiables, los científicos deberán controlar la interacción. "Solo puedes diseñar lo que puedas entender, "dice el coautor Alessandro Cerè.