Связанные атомы усиливают коллективное излучение света

Визуализация атомов в оптическом резонаторе, взаимодействующих друг с другом и со световой модой. Автор: Яо Ванг, Университет Эмори

Международная группа исследователей обнаружила, что прямое взаимодействие между атомами может усиливать мощный коллективный выброс света, известный как суперрадиантность. Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, расширяет существующие модели этого квантового эффекта.

В системах «свет-материя» многие излучатели (например, атомы) разделяют одну оптическую моду в резонаторе. Ключевым примером коллективного поведения является суперрадиантность — квантовый эффект, при котором атомы синхронно излучают свет, создавая яркость, значительно превышающую сумму их индивидуальных излучений.

«Фотоны действуют как посредники, связывающие каждый излучатель со всеми остальными внутри резонатора», — объясняет доктор Жуан Педро Мендонса, первый автор исследования. Однако в реальных материалах близлежащие атомы также взаимодействуют через короткодействующие диполь-дипольные силы, которые часто упускаются из виду.

Новое исследование показывает, что такие прямые взаимодействия между атомами могут либо конкурировать с фотонно-опосредованной связью, либо усиливать её. Понимание этого баланса имеет решающее значение для интерпретации экспериментов, где свет и материя сильно влияют друг на друга.

В основе этого поведения лежит квантовая запутанность. Команда разработала вычислительный метод, который явно учитывает запутанность, позволяя отслеживать корреляции внутри и между атомными и фотонными подсистемами. Результаты показывают, что прямые взаимодействия между соседними атомами могут снизить порог суперрадиантности и даже выявить ранее неизвестную упорядоченную фазу.

«Как только вы учитываете запутанность свет-материя в модели, вы можете предсказать, когда устройство будет заряжаться быстро, а когда нет. Это превращает многочастичный эффект в практическое правило проектирования», — сказал Жуан Педро Мендонса.

Это открытие имеет практическое значение для будущих квантовых технологий, включая квантовые батареи, квантовые коммуникационные сети и высокоточные сенсоры. Исследование стало результатом международного партнерства с участием специалистов из Варшавского университета и Университета Эмори.