Kollektív fénykibocsátás – a szuperradiancia szerepe
Fény–anyag rendszerekben számos atom osztozik ugyanazon optikai módban, ami gyakorlatilag egy tükrök közé szorított fény. Ez lehetővé teszi, hogy a részecskék együttműködve hozzanak létre kiemelkedő, szinkronizált fénykibocsátást, amit szuperradianciának nevezünk. Ebben az állapotban az atomok egyszerre, tökéletes összhangban sugároznak, így a kibocsátott fény intenzitása jóval meghaladja az egyedi atomok által kibocsátott fény összegét. A korábbi kutatások főként a fény–atom kölcsönhatást tekintették dominánsnak, miközben elhanyagolták az atomok rövid távú, dipól–dipól kölcsönhatásait.
A Varsói Egyetem és az Emory Egyetem kutatói most elsőként vették figyelembe ezeket a közvetlen atom–atom kapcsolatokat. Kiderült: ezek a kölcsönhatások vagy kioltják, vagy tovább erősítik a szuperradianciát létrehozó folyamatokat. Lényeges, hogy ez újfajta kollektív viselkedést eredményez, amit eddig nem vettek figyelembe. Ennek fényében pontosabb magyarázatot kaphatunk azokra a laboratóriumi megfigyelésekre, ahol a fény és az anyag kölcsönhatása különösen erős.
Az összefonódás mindent megváltoztat
A kvantum-összefonódás különösen nagy szerepet játszik ebben a folyamatban, mégis sok elméleti modell figyelmen kívül hagyja. Amikor azonban az összefonódottságot expliciten beépítik a modellezésbe, kirajzolódnak a lényegi korrelációk – mind az atomok, mind a fotonok között. Ez lehetővé tette, hogy a kutatók kimutassák: a szomszédos atomok közvetlen kölcsönhatása jelentősen csökkenti a szuperradianciához szükséges küszöböt, sőt egy új, rendezettségen alapuló fázist is feltártak, amely eddig ismeretlen volt.
Új lehetőségek a kvantumtechnológiákban
Az eredmények gyakorlati utat mutatnak olyan eszközök fejlesztése felé, mint a kvantumakkumulátorok. Ezek az eszközök elméletileg sokkal gyorsabban tölthetők vagy süthetők ki kollektív kvantumhatások révén. A szuperradiancia mindkét folyamatot felgyorsíthatja, javítva a hatékonyságot. A most feltárt, atom–atom kölcsönhatások finomhangolásával a kutatók szabályozni tudják, mikor válik egy ilyen rendszer hatékonnyá, és mikor marad az. Ez a felismerés a kvantumkommunikációs hálózatok és a rendkívül érzékeny érzékelők fejlesztését is előremozdíthatja.
A kutatás nemzetközi együttműködésben valósult meg, amely során a szakértők több országban végeztek közös munkát – kiemelve, hogy a mobilitás és az intézmények közötti kapcsolatok kulcsszerepet játszanak a tudományos áttörések elérésében.
