Главная Новости Физики показали, как сверхизлучающий всплеск указывает на коллективное поведение атомов

Как сверхизлучающий всплеск указывает на коллективное поведение атомов

Когда атомы взаимодействуют друг с другом, они ведут себя как единое целое, а не как отдельные сущности. Что в итоге приводит к синхронизированной реакции на входные сигналы - явление, которое, если его правильно понять и контролировать, может оказаться полезным для разработки источников света, создания датчиков, способных производить сверхточные измерения, а заодно и запускать квантовые компьютеры, пишет Альтернативная наука.

Вопрос: можно ли определить, когда атомы в группе синхронизированы?

В новой работе, опубликованной в журнале Nature Communications, физик из Колумбии Ана Асенхо-Гарсия и ее постдок Стюарт Массон показывают, каким образом сверхизлучающий всплеск указывает на коллективное поведение массивов атомов, тем самым решая проблему, которая десятилетиями стояла перед квантовой оптикой.

Свет лазера добавляет энергию, переводя атому в "возбужденное" состояние. Далее они распадаются на свой базовый энергетический уровень, высвобождая дополнительную энергию в виде потока фотонов.

Еще в 1950-х годах физик Роберт Дикке указал, что интенсивность светового импульса, испускаемого одним возбужденным атомом, который случайно продуцирует фотоны, почти мгновенно снижается. В этом отношении импульс от группы атомов оказывается "сверхизлучающим". Интенсивность сначала растет, потому что атомы излучают большую часть энергии в коротком, ярком всплеске света.

В чем тогда проблема?

В теории Дика все атомы заключены в одной точке - теоретическая возможность, которая не может существовать в реальности.

На протяжении десятилетий исследователи спорили о том, будут ли атомы, расположенные, например, в виде линий или простых решеток, демонстрировать сверхизлучение, или же любое расстояние сразу же устранит внешний признак коллективного поведения.

В каких случаях атомы могут демонстрировать сверхизлучение?

Согласно расчетам Массона и Асенхо-Гарсиа, потенциал всегда существует.

"Независимо от того, как вы расположите атомы и сколько их будет, всегда наблюдается вспышка сверхизлучения, если они находятся достаточно близко друг к другу", - говорит Массон.

Их подход позволяет преодолеть большую проблему в квантовой физике: по мере того, как система становится все больше, проводить расчеты становится экспоненциально сложнее.

Согласно работе Асенхо-Гарсии и Массона, предсказание сверхизлучения сводится всего лишь к двум фотонам. Если первый фотон, испущенный группой, не ускоряет излучение второго, то всплеска не произойдет.

Определяющим фактором является расстояние между атомами, которое зависит от того, как они расположены. Например, массив из 40x40 атомов будет демонстрировать вспышку, если они находятся на расстоянии 0,8 длины волны друг от друга.

 

По словам Массона, это вполне достижимое расстояние в современных экспериментальных установках. Хотя он пока не может подробно описать силу или продолжительность всплеска, если массив больше 16 атомов (такие точные расчеты слишком сложны даже на суперкомпьютерах), разработанная Массоном и Асенхо-Гарсиа система прогнозирования может указать, будет ли экспериментальный массив производить сверхизлучение, что является признаком коллективного поведения атомов.

В некоторых приложениях - например, в сверхизлучающих лазерах, которые менее чувствительны к тепловым колебаниям, чем обычные лазеры, - синхронизированные атомы являются желательной характеристикой.

В то же время при попытке физически уменьшить атомные массивы для квантовых вычислений, коллективное поведение приводит к непредвиденным результатам, если его не учесть должным образом.

"От коллективной природы атомов никуда не деться, и она может проявляться на больших расстояниях, чем можно было бы ожидать", - говорит Массон.

Источники:

Стюарт Массон и др., Универсальность сверхизлучения Дике в массивах квантовых излучателей, Nature Communications (2022). doi.org/10.1038/s41467-022-29805-4

Р. Х. Дике, Когерентность в процессах спонтанного излучения, Physical Review (2002). DOI: 10.1103/PhysRev.93.99