Предоставлено: Герд Альтманн с Pixabay

Но можете ли вы сказать, когда атомы в группе синхронизированы? В новой работе в Nature Communications физик из Колумбийского университета Ана Асенхо-Гарсия и ее постдоктор Стюарт Массон показывают, как явление, называемое сверхизлучением, может указывать на коллективное поведение массивов атомов, решая давнюю проблему квантовой оптики.

Облучение атома лазером добавляет энергии, переводя его в так называемое «возбужденное» состояние. В конце концов, он вернется к исходному уровню энергии, высвобождая дополнительную энергию в виде частицы света, называемой фотоном. Еще в 1950-х годах физик Роберт Дике показал, что интенсивность светового импульса, испускаемого одним возбужденным атомом, испускающим фотоны в случайные моменты времени, сразу же начинает снижаться. Импульс от группы на самом деле будет «сверхизлучающим», с интенсивностью, сначала увеличивающейся, потому что атомы излучают большую часть энергии в виде короткой яркой вспышки света.

Эта проблема? В теории Дикке все атомы содержатся в одной точке — теоретическая возможность, которая не может существовать в действительности.

Десятилетиями исследователи спорили о том, будут ли атомы, расположенные по-разному, например, в виде линий или простых сеток, демонстрировать сверхизлучение, или любое расстояние сразу же устранит этот внешний признак коллективного поведения. По расчетам Массона и Асенхо-Гарсии, потенциал есть всегда. «Независимо от того, как вы расположите свои атомы или сколько их, всегда будет вспышка сверхизлучения, если они будут достаточно близко друг к другу», — сказал Массон.

Их подход преодолевает большую проблему в квантовой физике: по мере того, как система становится больше, становится экспоненциально сложнее выполнять вычисления для нее. Согласно работе Асенхо-Гарсии и Массона, предсказание сверхизлучения сводится всего к двум фотонам. Если первый фотон, испущенный из группы, не ускорит испускание второго, всплеска не произойдет. Определяющим фактором является расстояние между атомами, которое зависит от того, как они расположены. Например, массив из 40x40 атомов будет демонстрировать всплеск, если они находятся в пределах 0,8 длины волны друг от друга.

По словам Массона, это достижимое расстояние в современных экспериментальных установках. Хотя он еще не может указать подробности о силе или продолжительности взрыва, если массив больше 16 атомов (эти точные расчеты слишком сложны даже на суперкомпьютерах Колумбии), простая прогностическая структура, разработанная Массоном и Асенхо-Гарсиа, может указать, будет ли данный экспериментальный массив производить сверхизлучение, что является признаком того, что атомы ведут себя коллективно.

В некоторых приложениях — например, в так называемых сверхизлучающих лазерах, которые менее чувствительны к тепловым флуктуациям , чем обычные, — синхронизированные атомы являются желательной функцией, которую исследователи захотят включить в свои устройства. В других приложениях, таких как попытки физически уменьшить атомные массивы для квантовых вычислений, коллективное поведение может привести к непредвиденным результатам, если оно не будет должным образом учтено. «Вы не можете избежать коллективной природы атомов, и это может происходить на больших расстояниях, чем вы могли бы ожидать», — сказал Массон.