Fysikere modeller og forudsigelser kan have anvendelse i den nye generation af superstrålende lasere

Teoretisk fysiker Farokh Mivehvar har undersøgt interaktionen mellem to samlinger af atomer, der udsender lys inde i et kvantehulrum - en optisk enhed bestående af to små spejle af høj kvalitet, der vender mod hinanden, og som begrænser lyset inden for et lille område i længere tid. Modellen og forudsigelserne kan implementeres og observeres i state-of-the-art eksperimenter med hulrum/bølgeleder-kvante-elektrodynamik og kan have anvendelse i den nye generation af såkaldte superradiant-lasere.

Superradiance er et af de mest overraskende og slående fænomener inden for kvanteoptik. Det kan dog intuitivt forstås ved at forestille sig et atom som en lillebitte antenne, der kan udsende lys (eller mere teknisk, elektromagnetisk stråling) under passende forhold.

"Forestil dig nu, at der er en samling af N-atomer. Når disse N-atomer er placeret langt fra hinanden og termisk exciterede, udstråler de uafhængigt af hinanden, så intensiteten af ​​det udsendte lys er proportional med antallet af atomer, N ," forklarer Farokh Mivehvar fra Institut for Teoretisk Fysik ved Universitetet i Innsbruck.

Men hvis disse atomer er placeret meget tæt, begynder atomantennerne at tale med hinanden og synkroniseres følgelig med hinanden og udsender derfor lys, hvis intensitet svarer til kvadratet på antallet af atomer.

"Man kan forestille sig denne situation som atomerne, der danner en enkelt gigantisk antenne, som udsender lys mere effektivt," siger Farokh Mivehvar. "Som et resultat udsender atomerne deres energi N gange hurtigere end uafhængige atomer." Det er denne effekt, der omtales som superradiance.

På vej mod superstrålende lasere

I hans seneste arbejde, offentliggjort i Physical Review Letters , Farokh Mivehvar har teoretisk overvejet to samlinger af atomer, der hver indeholder et antal atomer (N₁ og N₂ ), inde i et kvantehulrum. I hvert ensemble er atomerne placeret meget tæt på hinanden og kan udsende lys overstrålende.

"Det er dog ikke indlysende a priori, hvordan disse to gigantiske antenner forbundet med de to atomare ensembler kan udsende lys samtidigt," siger Mivehvar. Dette viser sig at være ikke-trivielt. "Isærligt finder vi to forskellige måder, hvorpå de to gigantiske antenner kan udsende lys."

På den første måde samarbejder de to gigantiske antenner med hinanden og danner en enkelt supergigantisk antenne, der i endnu højere grad udsender lys overstrålende. Men på den anden måde konkurrerer de to gigantiske antenner med hinanden destruktivt og undertrykker derfor den superstrålende lysemission.

Især når de to ensembler har det samme antal atomer, undertrykkes superstrålingslysemissionen fuldstændigt. "Derudover finder vi også tilfælde, hvor de to gigantiske antenner udsender lys, som er en superposition af de to tidligere nævnte typer og har en oscillerende karakter," siger Farokh Mivehvar.

Modellen og forudsigelserne kan implementeres og observeres i state-of-the-art hulrum/bølgeleder-kvante-elektrodynamik eksperimenter. Resultaterne kan også have anvendelse i den nye generation af såkaldte superstrålelasere.

Flere oplysninger: Farokh Mivehvar, konventionelle og ukonventionelle Dicke-modeller:Multistabilities and Nonequilibrium Dynamics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.073602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.05686

Leveret af University of Innsbruck