Истраживачи са Факултета физике Универзитета у Варшави, Центра за нове технологије Универзитета у Варшави и Универзитета Емори (Атланта, САД) истраживали су како атоми утичу једни на друге када су у интеракцији са светлошћу. Њихова студија, објављена у Пхисицал Ревиев Леттерспроширује постојеће моделе овог ефекта. Демонстрирајући да директне интеракције атом-атом могу побољшати моћан колективни прасак свјетлости познат као суперрадијанса, тим отвара нове могућности за развој напредних квантних технологија.
У системима са светлосном материјом, многи емитери (нпр. атоми) деле исти оптички мод унутар шупљине. Овај режим представља образац светлости ограниченог између огледала, омогућавајући колективно понашање које изоловани атоми не могу да испоље. Кључни пример је суперрадијанса, квантни ефекат у коме атоми емитују светлост у савршеној синхронизацији, стварајући сјај далеко већи од збира њихових појединачних емисија.
Већина ранијих студија суперрадијанса претпостављала је да спрега светлост-материја доминира, моделирајући целу атомску групу као један велики „џиновски дипол“ повезан са електромагнетним пољем шупљине. „Фотони делују као посредници који спајају сваки емитер са свим осталим унутар шупљине“, објашњава др Жоао Педро Мендонса, први аутор студије, који је докторирао на Универзитету у Варшави и сада спроводи истраживање у његовом Центру за нове технологије. У стварним материјалима, међутим, оближњи атоми такође реагују путем дипол-диполних сила кратког домета, које се често занемарују. Нова студија испитује шта се дешава када се узму у обзир ове унутрашње интеракције атом-атом. Налази показују да такве интеракције могу или да се такмиче са или да појачају фотон-посредовану спрегу одговорну за суперрадијансу. Разумевање ове равнотеже је од виталног значаја за тумачење експеримената у којима светлост и материја снажно утичу једна на другу.
Улога заплета у интеракцијама светлост-материја
У срцу овог понашања лежи квантна запетљаност, дубока веза између честица које деле квантна стања. Ипак, многе уобичајене теоријске методе третирају светлост и материју као одвојене ентитете, бришући ову кључну везу. „Полукласични модели у великој мери поједностављују квантни проблем, али по цену губитка кључних информација; они ефективно занемарују могуће заплетање између фотона и атома, а открили смо да у неким случајевима ово није добра апроксимација“, примећују аутори.
Да би се ово позабавило, тим је развио рачунарску методу која задржава експлицитно представљену запетљаност, омогућавајући им да прате корелације унутар и између атомског и фотонског подсистема. Њихови резултати показују да директне интеракције између суседних атома могу снизити праг за суперрадијансу и чак открити раније непознату уређену фазу која дели њена кључна својства. Све у свему, рад показује да је укључивање заплетања од суштинског значаја за тачно описивање читавог спектра понашања светлосних материја.
Импликације за квантне технологије
Осим продубљивања фундаменталног разумевања, ово откриће има практичан значај за будуће квантне технологије. Системи светлосне материје засновани на шупљинама су централни за многе нове уређаје, укључујући квантне батерије – концептуалне јединице за складиштење енергије које би се могле пунити и празнити много брже коришћењем колективних квантних ефеката. Суперрадианце може убрзати оба процеса, повећавајући укупну ефикасност.
Нова открића појашњавају како микроскопске атомске интеракције утичу на ове процесе. Прилагођавајући снагу и природу интеракција атом-атом, научници могу да подесе услове потребне за суперрадијансу и контролишу како се енергија креће кроз систем. „Једном када задржите преплитање светлосне материје у моделу, можете предвидети када ће се уређај брзо пунити, а када неће. То претвара ефекат више тела у практично правило дизајна“, рекао је Жоао Педро Мендонса. Слични принципи би такође могли унапредити квантне комуникационе мреже и прецизне сензоре.
Истраживање је настало из међународног партнерства које је окупило експертизу неколико институција. Жоао Педро Мендонса је спровео више истраживачких боравака у Сједињеним Државама, уз подршку програма „Иницијатива изврсности – истраживачки универзитет“ (ИДУБ) Универзитета у Варшави и Пољске националне агенције за академску размену (НАВА). Истраживачи наглашавају да су сарадња и мобилност били кључни за њихов успех. „Ово је сјајан пример како међународна мобилност и сарадња могу отворити врата продорима“, закључује тим.
