Polscy i amerykańscy fizycy wykazali, że bezpośrednie oddziaływania między atomami mogą wzmocnić nadpromienistość – efekt optyczny, polegający na zbiorowym rozbłysku światła. Odkrycie może być w przyszłości wykorzystane w technologiach kwantowych.
Zespół fizyków z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Centrum Nowych Technologii UW i Uniwersytetu Emory (Atlanta, USA) przeanalizował, jak wzajemne oddziaływania atomów zmieniają ich interakcje ze światłem. W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/z8gv-7yyk) naukowcy wykazali, że bezpośrednie oddziaływania atom-atom mogą wzmocnić nadpromienistość – kwantowy efekt optyczny, polegający na kolektywnym rozbłysku światła.
Nadpromienistość
W układach światło-materia można umieścić wiele emiterów (czyli źródeł emisji – przyp. red.), np. atomów, w tym samym modzie wnęki optycznej. Mod to wiązka światła zamknięta pomiędzy ustawionymi blisko siebie zwierciadłami. Wnęka optyczna, zwykle skonstruowana z luster lub innych materiałów łatwo odbijających fale, to układ wzmacniający światło dzięki interferencji, czyli nakładaniu się wielu fal świetlnych.
Kolektywne sprzężenie wielu atomów umożliwia efekty, które nie występują w przypadku pojedynczych, niezależnych atomów. Przykładem takiej korelacji jest nadpromienistość – w tym zjawisku wiele atomów promieniuje w tej samej fazie, co wzmacnia impuls.
– Fotony działają jak mediatory, które sprzęgają każdy emiter ze wszystkimi innymi wewnątrz wnęki – powiedział dr Joao Pedro Mendonca, pierwszy autor artykułu. Badacz doktoryzował się na Wydziale Fizyki UW, a obecnie pracuje w Centrum Nowych Technologii UW.
Dodał, że w rzeczywistych materiałach atomy wpływają na siebie nawzajem poprzez oddziaływania dipol-dipol (dipol to układ dwóch przeciwstawnych biegunów elektrycznych lub magnetycznych, oddzielonych niewielką odległością – przyp. red.), które są zazwyczaj pomijane.
Splątanie
„Obliczenia zespołu pokazały, że oddziaływania te mogą albo konkurować z interakcjami zachodzącymi za pośrednictwem fotonów, albo je wzmacniać. Zrozumienie tej równowagi jest niezbędne do interpretacji eksperymentów w warunkach, w których światło i materia znacząco na siebie wpływają” – czytamy w komunikacie Wydziału Fizyki UW.
U podstaw skomplikowanych własności układów światło-materia leżą kwantowe zależności zwane splątaniem. Jednak wielu badaczy traktuje światło i materię niezależnie, co – zdaniem autorów pracy – zaciera to powiązanie. „Modele półklasyczne (oddziaływania atomu ze światłem – przyp. red.) znacznie upraszczają problem kwantowy, ale kosztem utraty kluczowych informacji; skutecznie ignorują możliwe splątanie między fotonami i atomami, a my stwierdziliśmy, że w niektórych przypadkach nie jest to dobre przybliżenie” – zaznaczono w publikacji międzynarodowego zespołu.
Dzięki metodzie zastosowanej przez autorów pracy wykazano, że interakcje między pobliskimi emiterami mogą obniżyć próg pojawienia się nadpromienistości, ale też prowadzą do nieznanych wcześniej stanów uporządkowania materii, w których nadpromienistość występuje.
Zastosowania
Zdaniem naukowców wyniki badań mogą znaleźć w przyszłości zastosowania praktyczne. Układy pojedynczych atomów kontrolowanych światłem stanowią podstawę rozwijających się technologii kwantowych, m.in. sieci kwantowych, sensorów i baterii kwantowych.
– Gdy w modelu zachowa się splątanie światło-materia, można przewidzieć, kiedy urządzenie będzie się szybko ładować, a kiedy nie. Uwzględnienie subtelnego efektu kwantowego może prowadzić do praktycznych wskazówek dla inżynierów kwantowych – podkreślił dr Joao Pedro Mendonca.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. National Institute of Standards and Technology
