Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Emory University w Atlancie (USA) pokazali, że oddziaływania pomiędzy atomami mogą wzmacniać nadpromienistość – efekt kwantowy polegający na kolektywnym, wzmocnionym rozbłysku światła. Odkrycie to wnosi nową wiedzę do badań nad układami światło–materia i otwiera perspektywy rozwoju nowoczesnych technologii kwantowych. Wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters.
Zespół badaczy z Wydziału Fizyki UW, Centrum Nowych Technologii UW oraz Uniwersytetu Emory przeanalizował, jak wzajemne oddziaływania atomów wpływają na sposób, w jaki te atomy oddziałują ze światłem we wnękach optycznych. W takich układach wiele emiterów – np. atomów – znajduje się w tym samym modzie optycznym, co umożliwia kolektywne sprzężenie i powstawanie efektów nieobecnych w przypadku pojedynczych cząstek. Jednym z nich jest nadpromienistość – sytuacja, w której wiele atomów promieniuje zgodnie w tej samej fazie, wzmacniając wspólnie impuls świetlny. Dotychczas modele teoretyczne koncentrowały się głównie na sprzężeniu światło–materia, pomijając krótkiego zasięgu oddziaływania dipol–dipol pomiędzy sąsiadującymi atomami. Tymczasem, jak pokazują najnowsze obliczenia, takie interakcje mogą nie tylko konkurować z efektami pośredniczonymi przez fotony, ale również je wzmacniać.
Naukowcy opracowali nowe podejście obliczeniowe, które pozwala zachować kwantowe korelacje pomiędzy światłem i materią. Dzięki temu wykazali, że oddziaływania między pobliskimi emiterami mogą obniżać próg wystąpienia nadpromienistości, a także prowadzić do powstawania nowych, nieznanych wcześniej stanów uporządkowania materii o nadpromienistych właściwościach. To ważny krok w stronę bardziej precyzyjnego modelowania zjawisk zachodzących w układach kwantowych.
Wizualizacja atomów we wnęce optycznej oddziałujących ze sobą oraz jednocześnie ze światłem.Źródło: Yao Wang @ Emory University.
Uzyskane wyniki mają potencjalnie praktyczne zastosowania. Kontrolowane układy atomowe są podstawą rozwijających się technologii kwantowych – od baterii kwantowych, przez sieci komunikacyjne, po czułe sensory. Regulując oddziaływania między emiterami, można w przyszłości wpływać na dynamikę ładowania takich urządzeń, a także projektować bardziej wydajne systemy oparte na efektach kolektywnych.
