Zespół fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Emory w USA wykazał, że bezpośrednie oddziaływania atom-atom mogą wzmocnić nadpromienistość – kwantowy efekt optyczny, polegający na kolektywnym rozbłysku światła. Otwiera to nowe możliwości dla technologii kwantowych.
W układach światło-materia można umieścić wiele emiterów (np. atomów) w tym samym modzie optycznym wnęki. Mod to wiązka światła zamknięta pomiędzy ustawionymi blisko siebie zwierciadłami. Kolektywne sprzężenie tego typu umożliwia efekty nieobecne w przypadku pojedynczych, niezależnych atomów. Dobrym przykładem jest nadpromienistość, gdzie wiele atomów promieniuje w tej samej fazie, interferując konstruktywnie i wzmacniając impuls.
W modelach tego zjawiska zakłada się zazwyczaj dominację sprzężenia światło-materia. Cały układ jest jednorodnie
sprzężony z polem wnęki, które efektywnie pośredniczy w oddziaływaniach o nieskończonym zasięgu. Fotony działają wówczas niczym mediatory, które sprzęgają każdy emiter ze wszystkimi innymi wewnątrz wnęki. Jednak w rzeczywistych materiałach, atomy wpływają na siebie nawzajem poprzez krótkozasięgowe oddziaływania dipol-dipol, zazwyczaj pomijane.
Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Centrum Nowych Technologii UW i Uniwersytetu Emory (Atlanta, USA) przeanalizowali wzajemne oddziaływania atomów i to, jak zmieniają one sposób ich oddziaływania ze światłem. Obliczenia 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.
U podstaw skomplikowanych własności układów światło-materia leżą kwantowe korelacje zwane splątaniem. Jednak wiele podejść numerycznych i analitycznych traktuje światło i materię jako niezależne, co skutecznie
zaciera to powiązanie.
Modele półklasyczne 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 – wyjaśniają członkowie polsko-amerykańskiego zespołu badawczego.
Ich analiza wprowadza podejście obliczeniowe, które utrzymuje korelacje zarówno w obrębie podsystemów, jak i między nimi. Stosując tę metodę, pokazali, że interakcje między pobliskimi emiterami mogą na przykład obniżyć próg wystąpienia nadpromienistości, ale też prowadzą do nieznanych wcześniej stanów uporządkowania materii z
nadpromienistymi właściwościami.
Uzyskane wyniki mają szansę znaleźć w przyszłości zastosowania praktyczne. Układy pojedynczych atomów kontrolowanych światłem stanowią podstawę rozwijających się technologii kwantowych. Świetnym przykładem
są baterie kwantowe – urządzenia, które dzięki korelacjom kwantowym i efektom kolektywnym mogą ładować i rozładowywać się szybciej i wydajniej. Wpływ oddziaływań pomiędzy emiterami na dynamikę ładowania baterii może stać się kluczowy jeśli wywołane zostanie zjawisko nadpromienistości. Wewnętrzne oddziaływania mogą być regulowane w eksperymencie w dynamiczny sposób, co pozwoli na projektowanie optymalnych warunków ładowania w rzeczywistych materiałach i wnękach.
Gdy w modelu zachowa się splątanie światło-materia, da się przewidzieć, kiedy urządzenie będzie się szybko ładować, a kiedy nie. Uwzględnienie subtelnego efektu kwantowego może prowadzić do praktycznych wskazówek dla inżynierów kwantowych – wyjaśnia dr João Pedro Mendonça z Centrum Nowych Technologii UW i dodaje, że kontrola nad korelacjami światło-materia jest istotna również dla innych platform technologicznych, jak sieci kwantowe i sensory.
Kluczową rolę w realizacji projektu odegrała międzynarodowa współpraca badaczy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Centrum Nowych Technologii UW i Uniwersytetu Emory. João Pedro Mendonça odbył liczne wizyty w Stanach Zjednoczonych, wspierany przez program Uniwersytetu Warszawskiego „Inicjatywa Doskonałości –
Uczelnia Badawcza” (IDUB) oraz Narodową Agencję Wymiany Akademickiej.
To doskonały przykład tego, jak międzynarodowa mobilność i współpraca mogą prowadzić do przełomowych rezultatów – zauważają naukowcy zaangażowani w badania.
Wyniki analizy ukazały się w „Physical Review Letters”.
MK, źródło: FUW
Super!