Когда атомы взаимодействуют друг с другом, они ведут себя как единое целое, а не как отдельные объекты. Это может привести к синхронизированным ответам на входные сигналы, явлению, которое, если его правильно понять и контролировать, может оказаться полезным для разработки источников света, создания датчиков, способных проводить сверхточные измерения, и понимания диссипации в квантовых компьютерах. Но можете ли вы определить, когда атомы в группе синхронизируются? В новой работе в Nature Communications физик из Колумбии Ана Асенджо-Гарсия и ее постдок Стюарт Массон показывают, как явление, называемое вспышкой сверхизлучения, может указывать на коллективное поведение массивов атомов, решая то, что было десятилетней проблемой для области квантовой оптики. Свет лазера на атом добавляет энергии, переводя его в так называемое «возбужденное» состояние. В конце концов он распадется обратно до своего базового энергетического уровня, высвобождая дополнительную энергию в виде частицы света, называемой фотоном. Еще в 1950-х годах физик Роберт Дайк показал, что интенсивность светового импульса, испускаемого одним возбужденным атомом, который испускает фотоны в случайные моменты времени, немедленно начнет снижаться. Импульс от группы на самом деле будет «сверхизлучающим», причем интенсивность сначала увеличивается, потому что атомы излучают большую часть энергии в виде короткой яркой вспышки света. В чем проблема? В теории Дикке все атомы содержатся в одной точке — теоретическая возможность, которая не может существовать в реальности. В течение десятилетий исследователи обсуждали, будут ли атомы, расположенные на разных расстояниях, например, линии или простые сетки, проявлять сверхизлучение, или любое расстояние немедленно устранит этот внешний признак коллективного поведения. Согласно расчетам Массона и Асеньо-Гарсии, потенциал всегда есть. «Независимо от того, как вы расположите свои атомы или сколько их будет, всегда будет всплеск сверхизлучения, если они находятся достаточно близко друг к другу», — сказал Массон.
Их подход преодолевает большую проблему в квантовой физике: по мере того, как система становится больше, выполнять вычисления вокруг нее становится экспоненциально сложнее. Согласно работе Асенджо-Гарсии и Массона, предсказание сверхизлучения сводится всего к двум фотонам. Если первый фотон, испускаемый из группы, не ускоряет испускание второго, всплеска не произойдет. Определяющим фактором является расстояние между атомами, которое зависит от того, как они расположены. Например, массив из атомов 40×40 будет демонстрировать всплеск, если они находятся в пределах 0,8 длины волны друг от друга. По словам Массона, это достижимое расстояние в самых современных экспериментальных установках. Хотя он пока не может предоставить подробную информацию о силе или продолжительности взрыва, если массив больше 16 атомов (эти точные вычисления слишком сложны даже на суперкомпьютерах Columbia), простая система прогнозирования, разработанная Массоном и Асенджо-Гарсией, может указать, будет ли данная экспериментальная матрица производить сверхизлучение, что является признаком того, что атомы ведут себя коллективно. В некоторых приложениях — например, в так называемых лазерах со сверхизлучением, которые менее чувствительны к тепловым колебаниям, чем обычные, — синхронизированные атомы являются желательной функцией, которую исследователи захотят включить в свои устройства. В других приложениях, таких как попытки физического сжатия атомных массивов для квантовых вычислений, коллективное поведение может привести к непреднамеренным результатам, если его не учитывать должным образом. «Вы не можете избежать коллективной природы атомов, и это может происходить на расстояниях, больших, чем вы могли бы ожидать», — сказал Массон.
May 18, 2022. Автор: Эллен Нефф, Квантовая инициатива Колумбийского университета https://phys.org/news/2022-05-physicists