Учёные из Варшавского университета, Центра новых технологий Варшавского университета и Университета Эмори (Атланта, США) выяснили, как атомы влияют друг на друга при взаимодействии со светом. Их исследование, опубликованное в Physical Review Letters, расширяет существующие модели этого явления. Демонстрируя, что прямое взаимодействие между атомами может усиливать суперрадиацию — мощный коллективный выброс света, — команда открывает новые горизонты для развития передовых квантовых технологий.
В системах взаимодействия света и материи множество излучателей, например атомов, совместно используют один оптический режим внутри резонатора. Этот режим представляет собой световой шаблон, удерживаемый между зеркалами, что позволяет наблюдать коллективные эффекты, недоступные для отдельных атомов. Ключевым примером является суперрадиация — квантовое явление, при котором атомы излучают свет в идеальной синхронизации, создавая яркость, значительно превосходящую простую сумму их индивидуальных излучений.
Прежние исследования суперрадиации чаще всего исходили из того, что доминирующим является взаимодействие света и материи, рассматривая всю группу атомов как один большой «гигантский диполь», связанный с электромагнитным полем резонатора. Доктор Жоао Педро Мендонса, первый автор исследования, получивший докторскую степень в Варшавском университете и ныне работающий в Центре новых технологий, поясняет: «Фотоны выступают в роли посредников, которые связывают каждый излучатель со всеми остальными внутри резонатора». Однако в реальных материалах соседние атомы также взаимодействуют посредством короткодействующих диполь-дипольных сил, что часто упускалось из виду. Новая работа исследует, что происходит, когда учитываются эти внутренние атомно-атомные взаимодействия. Результаты показывают, что такие взаимодействия могут как конкурировать, так и усиливать опосредованную фотонами связь, ответственную за суперрадиацию. Понимание этого баланса критически важно для интерпретации экспериментов, где свет и материя сильно влияют друг на друга.
В основе этого поведения лежит квантовая запутанность — глубокая взаимосвязь между частицами, разделяющими общие квантовые состояния. Многие распространённые теоретические методы рассматривают свет и материю как отдельные сущности, игнорируя эту ключевую связь. Учёные отмечают: «Полуклассические модели значительно упрощают квантовую проблему, но ценой потери критической информации; они фактически игнорируют возможную запутанность между фотонами и атомами, и мы обнаружили, что в некоторых случаях это не является хорошим приближением».
Чтобы решить эту проблему, команда разработала вычислительный метод, который явно учитывает запутанность, позволяя отслеживать корреляции как внутри атомных и фотонных подсистем, так и между ними. Их результаты показывают, что прямое взаимодействие между соседними атомами может снизить порог для суперрадиации и даже выявить ранее неизвестную упорядоченную фазу, обладающую её ключевыми свойствами. В целом, эта работа демонстрирует, что включение запутанности в модель необходимо для точного описания всего спектра взаимодействий света и материи.
Помимо углубления фундаментального понимания, это открытие имеет практическое значение для будущих квантовых технологий. Системы взаимодействия света и материи на основе резонаторов лежат в основе многих перспективных устройств, включая квантовые батареи — концептуальные накопители энергии, способные заряжаться и разряжаться значительно быстрее за счёт использования коллективных квантовых эффектов. Суперрадиация может ускорить оба этих процесса, повышая общую эффективность.
Новые данные проясняют, как микроскопические атомные взаимодействия влияют на эти процессы. Регулируя силу и характер атомно-атомных взаимодействий, учёные смогут настраивать условия, необходимые для суперрадиации, и контролировать движение энергии в системе. Жоао Педро Мендонса отметил: «Как только вы сохраняете запутанность света и материи в модели, вы можете предсказать, когда устройство будет быстро заряжаться, а когда нет. Это превращает многочастичный эффект в практическое правило проектирования». Подобные принципы также могут способствовать развитию квантовых коммуникационных сетей и высокоточных датчиков.
Это исследование является результатом международного сотрудничества, объединившего экспертов из нескольких учреждений. Жоао Педро Мендонса совершил несколько исследовательских визитов в США, поддерживаемых программой Варшавского университета «Инициатива превосходства — Исследовательский университет» (IDUB) и Польским национальным агентством академического обмена (NAWA). Исследователи подчёркивают, что сотрудничество и мобильность стали ключом к их успеху, назвав это ярким примером того, как международное взаимодействие приводит к прорывным открытиям.
