Har du någonsin undrat hur du ser världen? Vision handlar om fotoner av ljus, som är energipaket, interagerar med atomerna eller molekylerna i det du tittar på. Vissa fotoner reflekterar bort, når dina ögon. Andra blir absorberade. Den viktigaste avgöraren som händer är fotonens energi - dess färg.

Men titta noga på det ögonblick som ljus möter materia, och det finns mer att upptäcka. Forskare vid Center for Quantum Technologies (CQT) vid National University of Singapore har just visat att en foton form också påverkar hur den absorberas av en enda atom.

Vi tänker inte ofta på att fotoner sprids ut i tid och rum och därmed har en form, men de i detta experiment var cirka fyra meter långa. Christian Kurtsiefer, Principal Investigator på CQT, och hans team har lärt sig att forma dessa fotoner med extrem precision.

För forskningen, publicerad 29 november i Naturkommunikation , laget arbetade med Rubidium -atomer och infraröda fotoner. De lyste fotonerna en i taget på en enda atom.

"Våra experiment tittar på det mest grundläggande samspelet mellan materia och ljus" säger Victor Leong, för vilka arbetet bidrog till en doktorsexamen.

En foton på fyra meter tar cirka 13 nanosekunder för att passera atomen. Varje gång en foton skickades mot atomen, laget tittade på för att se om och när atomen blev upphetsad. Genom att notera excitationstiderna och samla dem tillsammans, forskarna kunde kartlägga sannolikheten för att atomen skulle absorbera fotonen som en funktion av tiden.

Teamet testade två olika fotonformer - en stiger i ljusstyrka, den andra förfaller. Hundratals miljoner mätningar som gjorts under 1500 timmar visade att den totala sannolikheten för att en enda Rubidium -atom skulle absorbera en enda foton av endera typen var drygt 4%. Dock, när laget tittade på processen för tidsramar i nanoskala, de såg att sannolikheten för absorption i varje ögonblick beror på fotonens form.

Forskarna fann att om fotonen kom svagt, ur atomens synvinkel, slutade sedan ljust, högsta sannolikheten för excitation var drygt 50% högre än när fotonen kom ljus och hade en lång, blekande svans.

Forskare hade förväntat sig atomer kanske föredrar att suga upp de stigande fotonerna. Det är på grund av det som händer naturligt när en upphetsad atom sönderfaller. Sedan, atomen spottar ut en förfallande foton. Tänk dig att köra processen bakåt - ekvationerna säger att den ska se likadan ut - och atomen skulle komma med stigande ljusstyrka. "Vårt val av fotonform inspirerades av kvantmekanikens tidssymmetri, "säger medförfattaren Matthias Steiner.

Arbetet bygger också förståelse för teknik som är beroende av ljus-materia interaktioner. Några förslag på kvantteknik som kommunikationsnätverk, sensorer och datorer kräver att en foton skriver information till en atom genom att absorberas. Fotonen slår atomen i ett upphetsat tillstånd. För att bygga pålitliga enheter, forskare kommer att behöva kontrollera interaktionen. "Du kan bara konstruera det du kan förstå, "säger medförfattaren Alessandro Cerè.