Фізики показали, як надвипромінювальний сплеск вказує на колективну поведінку атомів

Коли атоми взаємодіють один з одним, вони поводяться як єдине ціле, а не як окремі сутності. Що в підсумку призводить до синхронізованої реакції на вхідні сигнали - явище, яке, якщо його правильно зрозуміти і контролювати, може виявитися корисним для розроблення джерел світла, створення датчиків, здатних виробляти надточні вимірювання, а заодно і запускати квантові комп'ютери.

Питання: чи можна визначити, коли атоми в групі синхронізовані?

У новій роботі, опублікованій у журналі Nature Communications, фізик із Колумбії Ана Асенхо-Гарсія та її постдок Стюарт Массон показують, яким чином надвипромінювальний сплеск вказує на колективну поведінку масивів атомів, у такий спосіб розв'язуючи проблему, яка десятиліттями поставала перед квантовою оптикою.

Світло лазера додає енергію, переводячи атом у "збуджений" стан. Далі вони розпадаються на свій базовий енергетичний рівень, вивільняючи додаткову енергію у вигляді потоку фотонів.

Ще в 1950-х роках фізик Роберт Дікке вказав, що інтенсивність світлового імпульсу, що випускається одним збудженим атомом, який випадково продукує фотони, майже миттєво знижується. У цьому відношенні імпульс від групи атомів виявляється "надвипромінювальним". Інтенсивність спочатку зростає, бо атоми випромінюють більшу частину енергії в короткому, яскравому сплеску світла.

У чому тоді проблема?

У теорії Діка всі атоми укладені в одній точці - теоретична можливість, яка не може існувати в реальності.

Протягом десятиліть дослідники сперечалися про те, чи будуть атоми, розташовані, наприклад, у вигляді ліній або простих решіток, демонструвати сверхвипромінювання, або ж будь-яка відстань відразу ж усуне зовнішню ознаку колективної поведінки.

Атомні решітки. Математична модельЗгідно з розрахунками Массона і Асенхо-Гарсіа, потенціал завжди існує.

"Незалежно від того, як ви розташуєте атоми і скільки їх буде, завжди спостерігається спалах надвипромінювання, якщо вони перебувають досить близько один до одного", - каже Массон.

Їхній підхід дає змогу подолати велику проблему в квантовій фізиці: у міру того, як система стає дедалі більшою, проводити розрахунки стає експоненціально складніше.

Згідно з роботою Асенхо-Гарсії і Массона, передбачення надвипромінювання зводиться всього лише до двох фотонів. Якщо перший фотон, випущений групою, не прискорює випромінювання другого, то сплеску не відбудеться.

Визначальним фактором є відстань між атомами, яка залежить від того, як вони розташовані. Наприклад, масив із 40x40 атомів демонструватиме спалах, якщо вони розташовані на відстані 0,8 довжини хвилі один від одного.

За словами Массона, це цілком досяжна відстань у сучасних експериментальних установках. Хоча він поки що не може детально описати силу або тривалість сплеску, якщо масив більший за 16 атомів (такі точні розрахунки надто складні навіть на суперкомп'ютерах), розроблена Массоном і Асенхо-Гарсіа система прогнозування може вказати, чи буде експериментальний масив виробляти надвипромінювання, що є ознакою колективної поведінки атомів.

У деяких додатках - наприклад, у надвипромінювальних лазерах, які менш чутливі до теплових коливань, ніж звичайні лазери, - синхронізовані атоми є бажаною характеристикою.

Водночас при спробі фізично зменшити атомні масиви для квантових обчислень колективна поведінка призводить до непередбачуваних результатів, якщо її не врахувати належним чином.

"Від колективної природи атомів нікуди не дітися, і вона може проявлятися на більших відстанях, ніж можна було б очікувати", - каже Массон.

Джерела:

Стюарт Массон та ін., Універсальність надвипромінювання Діке в масивах квантових випромінювачів, Nature Communications (2022). doi.org/10.1038/s41467-022-29805-4

Р. Х. Діке, Когерентність у процесах спонтанного випромінювання, Physical Review (2002). DOI: 10.1103/PhysRev.93.99

Джерело: phys.org

Теги: Атом Фотон
Поділитися:

Написати коментар