Fysikere kaster nyt lys over et gammelt kvanteoptikproblem om kollektiv adfærd

Når atomer interagerer med hinanden, opfører de sig som en helhed snarere end individuelle enheder. Det kan give anledning til synkroniserede reaktioner på input, et fænomen, der, hvis det forstås og kontrolleres korrekt, kan vise sig nyttigt til at udvikle lyskilder, bygge sensorer, der kan tage ultrapræcise målinger, og forstå dissipation i kvantecomputere.

Men kan du se, hvornår atomer i en gruppe er synkroniseret? I nyt arbejde i Nature Communications , Columbia-fysiker Ana Asenjo-Garcia og hendes postdoc Stuart Masson viser, hvordan et fænomen kaldet en superradiant burst kan indikere kollektiv adfærd blandt arrays af atomer, der løser det, der har været et årtier gammelt problem inden for kvanteoptik.

At skinne en laser på et atom tilføjer energi, og sætter det i, hvad der er kendt som en "ophidset" tilstand. Til sidst vil det henfalde tilbage til dets basislinjeenerginiveau og frigive den ekstra energi i form af en lyspartikel kaldet en foton. Tilbage i 1950'erne viste fysikeren Robert Dicke, at intensiteten af ​​lysimpulsen udsendt fra et enkelt exciteret atom, som udsender fotoner på tilfældige tidspunkter, straks vil begynde at falde. Pulsen fra en gruppe vil faktisk være "overstrålende", med intensiteten stigende i starten, fordi atomerne udsender det meste af energien i et kort, stærkt lysudbrud.

Problemet? I Dickes teori er atomerne alle indeholdt i et enkelt punkt - en teoretisk mulighed, der ikke kan eksistere i virkeligheden.

I årtier diskuterede forskere, om atomer fordelt i forskellige arrangementer, som linjer eller simple gitter, ville udvise superstråling, eller om enhver afstand straks ville fjerne dette ydre tegn på kollektiv adfærd. Ifølge Masson og Asenjo-Garcias beregninger er potentialet der altid. "Uanset hvordan du arrangerer dine atomer, eller hvor mange der er, vil der altid være et superstråleudbrud, hvis de er tæt nok sammen," sagde Masson.

Deres tilgang overvinder et stort problem inden for kvantefysik:efterhånden som et system bliver større, bliver det eksponentielt mere kompliceret at udføre beregninger om det. Ifølge Asenjo-Garcia og Massons arbejde kommer forudsigelse af superstråling alt sammen ned til kun to fotoner. Hvis den første foton, der udsendes fra gruppen, ikke fremskynder emissionen af ​​den anden, vil der ikke opstå et burst. Den afgørende faktor er afstanden mellem atomer, som varierer efter, hvordan de er arrangeret. For eksempel vil et array af 40x40 atomer udvise et udbrud, hvis de er inden for 0,8 af en bølgelængde fra hinanden.

Ifølge Masson er det en opnåelig afstand i state-of-the-art eksperimentelle opstillinger. Selvom det endnu ikke kan udfylde detaljer om styrken eller varigheden af ​​udbruddet, hvis arrayet er større end 16 atomer (disse præcise beregninger er for komplicerede, selv på Columbias supercomputere), kan den enkle forudsigende ramme Masson og Asenjo-Garcia udviklede angive, om en given eksperimentel array vil producere superstråling, hvilket er et tegn på, at atomer opfører sig kollektivt.

I nogle applikationer - for eksempel i såkaldte superstrålende lasere, som er mindre følsomme over for termiske udsving end konventionelle - er synkroniserede atomer en ønskværdig funktion, som forskere vil ønske at inkorporere i deres enheder. I andre applikationer, såsom forsøg på fysisk at formindske atomarrays til kvanteberegning, kan kollektiv adfærd forårsage utilsigtede resultater, hvis der ikke tages ordentligt højde for dem. "Du kan ikke undslippe atomernes kollektive natur, og det kan forekomme i større afstande, end du måske forventer," sagde Masson. + Udforsk yderligere

Superstråling af et ensemble af kerner exciteret af en fri elektronlaser