Zespół fizyków z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Centrum Nowych Technologii UW i Uniwersytetu Emory w Atlancie przeanalizował, jak wzajemne oddziaływania atomów wpływają na ich interakcje ze światłem.

Naukowcy wykazali, że bezpośrednie oddziaływania między atomami mogą wzmocnić nadpromienistość – kwantowy efekt optyczny polegający na kolektywnym rozbłysku światła. Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters.

Wizualizacja atomów we wnęce optycznej oddziałujących ze sobą oraz jednocześnie ze światłem. Źródło: WFUW za Yao Wang; Emory University

Nadpromienistość

W układach światło-materia można umieszczać wiele emiterów, takich jak atomy, w jednym modzie optycznym wnęki. To rodzaj wiązki światła zamkniętej pomiędzy dwoma zwierciadłami. Kolektywne sprzężenie z wnęką pozwala na efekty, których nie da się zaobserwować w przypadku pojedynczych atomów. Przykładem jest właśnie nadpromienistość – sytuacja, w której wiele atomów promieniuje w tej samej fazie, a ich sygnały wzmacniają się wzajemnie.

– Fotony działają jak mediatory, które sprzęgają każdy emiter ze wszystkimi innymi wewnątrz wnęki – podsumował João Pedro Mendonça, pierwszy autor publikacji, doktor fizyki UW, obecnie pracujący w Centrum Nowych Technologii UW.

W rzeczywistych materiałach, oprócz oddziaływań pośredniczonych przez fotony, pojawiają się też oddziaływania krótkiego zasięgu typu dipol–dipol. Zespół pokazał, że mogą one zarówno konkurować z oddziaływaniami za pośrednictwem fotonów, jak i je wzmacniać.

Badacze podkreślają, że kluczową rolę w tych układach odgrywają kwantowe korelacje zwane splątaniem. W wielu modelach teoretycznych światło i materia traktowane są niezależnie, co upraszcza problem, ale usuwa istotne informacje.

– 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 – wyjaśnili autorzy publikacji.

Zespół opracował podejście obliczeniowe, które zachowuje korelacje zarówno w obrębie podsystemów, jak i pomiędzy nimi. Dzięki temu pokazał, że interakcje między pobliskimi emiterami mogą obniżać próg wystąpienia nadpromienistości i prowadzić do nowych stanów uporządkowania materii.

Baterie kwantowe

Wyniki badań mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w rozwijających się technologiach kwantowych. Układy pojedynczych atomów kontrolowanych światłem to podstawa m.in. baterii kwantowych, które mogą ładować się szybciej dzięki efektom kolektywnym.

– 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 – powiedział João Pedro Mendonça.

Kontrola nad korelacjami światło-materia jest istotna również dla innych platform technologicznych jak sieci kwantowe i sensory.

K. Jachymski, João Pedro Mendonça. Źródło: WFUW

Projekt był wynikiem międzynarodowej współpracy badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Emory. João Pedro Mendonça odbył liczne wizyty w USA, wspierany przez program „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” (IDUB) oraz Narodową Agencję Wymiany Akademickiej (NAWA).

Źródło: WFUW/ Forum Akademickie