Zespół fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego i Emory University w Atlancie odkrył, że bezpośrednie oddziaływania między atomami mogą wzmacniać nadpromienistość – kwantowy efekt kolektywnego rozbłysku światła. Wyniki badań, opublikowane w Physical Review Letters, otwierają drogę do projektowania bardziej wydajnych technologii kwantowych: od baterii po sensory i sieci komunikacyjne.
Kiedy atomy działają razem
W klasycznym świecie każdy atom zachowuje się jak niezależne źródło światła. W świecie kwantowym jednak wiele z nich może promieniować wspólnie, tworząc zsynchronizowany błysk – zjawisko zwane nadpromienistością (superradiance). Dotychczas uważano, że kluczową rolę w tym procesie odgrywa wyłącznie światło zamknięte w tzw. wnęce optycznej, gdzie fotony pośredniczą w oddziaływaniach pomiędzy atomami.
Czytaj też: Fizyka kwantowa na nowo zdefiniowana. Naukowcy znaleźli sposób na ominięcie legendarnej bariery
Nowe obliczenia wykonane przez zespół z Wydziału Fizyki UW, Centrum Nowych Technologii UW i Uniwersytetu Emory pokazują, że istotny udział mają również krótkiego zasięgu oddziaływania dipol-dipol między samymi atomami. To one mogą – w zależności od konfiguracji – osłabiać lub wzmacniać nadpromienistość.
Dr João Pedro Mendonça z Centrum Nowych Technologii UW, pierwszy autor publikacji, mówi:
Fotony działają jak mediatory, które sprzęgają każdy emiter ze wszystkimi innymi wewnątrz wnęki. Jednak rzeczywiste atomy wpływają na siebie nawzajem również bez pośrednictwa światła, a ten subtelny efekt może znacząco zmienić wynik.
Aby zrozumieć naturę tego zjawiska, badacze opracowali nowy model obliczeniowy, który zachowuje korelacje kwantowe – tzw. splątanie – między światłem i materią. Wcześniejsze modele traktowały oba układy osobno, upraszczając rzeczywistość, ale tracąc kluczowe informacje o ich współzależności.
Prof. Krzysztof Jachymski z Wydziału Fizyki UW wyjaśnia:
Modele półklasyczne ignorują możliwe splątanie między fotonami i atomami, a my stwierdziliśmy, że w niektórych przypadkach nie jest to dobre przybliżenie.
Nowe podejście ujawniło, że wzajemne oddziaływania atomów mogą obniżać próg wystąpienia nadpromienistości, a w niektórych warunkach prowadzić do powstawania nieznanych wcześniej stanów uporządkowania materii, w których światło i materia zachowują się jak jeden, kwantowo spleciony organizm.
Badania mają znaczenie wykraczające poza czystą fizykę. Układy, w których pojedyncze atomy można precyzyjnie kontrolować za pomocą światła, stanowią dziś podstawę rozwoju technologii kwantowych. Szczególnie obiecującym polem zastosowań są baterie kwantowe – urządzenia, które mogą ładować się i rozładowywać znacznie szybciej niż konwencjonalne akumulatory, dzięki efektom kolektywnym i splątaniu.
Dr João Pedro Mendonça dodaje:
Jeśli w modelu zachowamy splątanie światło-materia, możemy przewidzieć, kiedy urządzenie będzie się szybko ładować, a kiedy nie. Uwzględnienie subtelnych efektów kwantowych może prowadzić do praktycznych wskazówek dla inżynierów.
Zrozumienie i kontrola nad tym, jak atomy “rozmawiają” ze sobą i ze światłem, mogą znaleźć zastosowanie także w sieciach kwantowych czy sensorach nowej generacji, gdzie liczy się każdy ułamek sekundy i każdy foton.
Projekt był efektem ścisłej współpracy między naukowcami z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Emory w Atlancie. Dr João Pedro Mendonça odbył serię wizyt w USA dzięki wsparciu programów “Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” (IDUB) oraz Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej (NAWA).