Vous êtes-vous déjà demandé comment vous voyez le monde ? La vision concerne les photons de lumière, qui sont des paquets d'énergie, interagir avec les atomes ou les molécules dans ce que vous regardez. Certains photons se reflètent, atteignant vos yeux. D'autres sont absorbés. Le principal facteur déterminant est l'énergie du photon – sa couleur.

Mais regardez bien le moment où la lumière rencontre la matière, et il y a plus à découvrir. Des scientifiques du Center for Quantum Technologies (CQT) de l'Université nationale de Singapour viennent de montrer que la forme d'un photon affecte également la façon dont il est absorbé par un seul atome.

Nous ne pensons pas souvent aux photons comme étant étalés dans le temps et dans l'espace et ayant ainsi une forme, mais ceux de cette expérience mesuraient environ quatre mètres de long. Christian Kurtsiefer, Chercheur principal au CQT, et son équipe ont appris à façonner ces photons avec une extrême précision.

Pour la recherche, publié le 29 novembre dans Communication Nature , l'équipe a travaillé avec des atomes de rubidium et des photons infrarouges. Ils ont projeté les photons un par un sur un seul atome.

"Nos expériences examinent l'interaction la plus fondamentale entre la matière et la lumière", explique Victor Leong, pour qui le travail a contribué à un doctorat.

Un photon de quatre mètres met environ 13 nanosecondes pour traverser l'atome. Chaque fois qu'un photon était envoyé vers l'atome, l'équipe a regardé pour voir si et quand l'atome s'est excité. En notant les temps d'excitation et en les regroupant, les chercheurs ont pu cartographier la probabilité que l'atome absorbe le photon en fonction du temps.

L'équipe a testé deux formes de photons différentes - l'une augmentant en luminosité, l'autre en décomposition. Des centaines de millions de mesures effectuées sur 1 500 heures ont montré que la probabilité globale qu'un seul atome de rubidium absorbe un seul photon de l'un ou l'autre type était d'un peu plus de 4 %. Cependant, lorsque l'équipe a examiné le processus à l'échelle nanométrique, ils ont vu que la probabilité d'absorption à chaque instant dépend de la forme du photon.

Les chercheurs ont découvert que si le photon arrivait faiblement, du point de vue de l'atome, puis s'est terminée brillamment, la probabilité maximale d'excitation était un peu plus de 50 % plus élevée que lorsque le photon est arrivé brillant et avait une longue, queue fanée.

Les chercheurs s'attendaient à ce que les atomes préfèrent absorber les photons ascendants. C'est à cause de ce qui se passe naturellement lorsqu'un atome excité se désintègre. Puis, l'atome crache un photon en décomposition. Imaginez que vous exécutiez le processus à l'envers - les équations disent qu'il devrait se ressembler - et l'atome arriverait avec une luminosité croissante. "Notre choix de forme de photon a été inspiré par la symétrie temporelle de la mécanique quantique, ", explique le co-auteur Matthias Steiner.

Le travail permet également de mieux comprendre les technologies qui reposent sur les interactions lumière-matière. Quelques propositions de technologies quantiques telles que les réseaux de communication, les capteurs et les ordinateurs exigent qu'un photon écrive des informations dans un atome en étant absorbé. Le photon met l'atome dans un état excité. Pour construire des appareils fiables, les scientifiques devront contrôler l'interaction. "Vous ne pouvez concevoir que ce que vous pouvez comprendre, ", explique le co-auteur Alessandro Cerè.