Physiker werfen neues Licht auf ein altes quantenoptisches Problem über kollektives Verhalten

Physiker aus Columbia werfen ein neues Licht auf ein altes Quantenoptik-Problem über kollektives Verhalten

Quelle: Gerd Altmann von Pixabay

Wenn Atome miteinander interagieren, verhalten sie sich als Ganzes und nicht als einzelne Einheiten. Dies kann zu synchronisierten Reaktionen auf Eingaben führen, ein Phänomen, das sich, wenn es richtig verstanden und kontrolliert wird, als nützlich erweisen kann, um Lichtquellen zu entwickeln, Sensoren zu bauen, die ultrapräzise Messungen durchführen können, und die Dissipation in Quantencomputern zu verstehen.

Aber können Sie sagen, wann Atome in einer Gruppe synchronisiert sind? In neuer Arbeit in Naturkommunikationzeigen die kolumbianische Physikerin Ana Asenjo-Garcia und ihr Postdoc Stuart Masson, wie ein als Superradiant Burst bezeichnetes Phänomen kollektives Verhalten zwischen Anordnungen von Atomen anzeigen kann, und lösen damit ein jahrzehntealtes Problem auf dem Gebiet der Quantenoptik.

Bestrahlt man ein Atom mit einem Laser, fügt man Energie hinzu und versetzt es in einen sogenannten „aufgeregten“ Zustand. Schließlich wird es auf sein Grundenergieniveau zurückfallen und die zusätzliche Energie in Form eines Lichtteilchens, das als Photon bezeichnet wird, freisetzen. Bereits in den 1950er Jahren zeigte der Physiker Robert Dicke, dass die Intensität des Lichtpulses eines einzelnen angeregten Atoms, das zu zufälligen Zeiten Photonen aussendet, sofort abnimmt. Der Puls einer Gruppe wird tatsächlich “superstrahlend” sein, wobei die Intensität zunächst zunimmt, weil die Atome die meiste Energie in einem kurzen, hellen Lichtstoß abgeben.

Das Problem? In Dickes Theorie sind die Atome alle in a enthalten einziger Punkt– eine theoretische Möglichkeit, die es in der Realität nicht geben kann.

Jahrzehntelang diskutierten Forscher darüber, ob Atome, die in verschiedenen Anordnungen wie Linien oder einfachen Gittern angeordnet sind, Überstrahlung zeigen würden oder ob jede Entfernung dieses äußere Zeichen kollektiven Verhaltens sofort beseitigen würde. Das Potenzial ist nach den Berechnungen von Masson und Asenjo-Garcia immer vorhanden. “Egal, wie Sie Ihre Atome anordnen oder wie viele es sind, es wird immer einen Superradiant-Burst geben, wenn sie nahe genug beieinander liegen”, sagte Masson.

Ihr Ansatz überwindet ein großes Problem in Quantenphysik: Wenn ein System größer wird, wird es exponentiell komplizierter, Berechnungen darüber durchzuführen. Laut der Arbeit von Asenjo-Garcia und Masson läuft die Vorhersage von Superstrahlung auf nur zwei Photonen hinaus. Wenn das erste von der Gruppe emittierte Photon die Emission des zweiten nicht beschleunigt, erfolgt kein Burst. Ausschlaggebend ist der Abstand zwischen den Atomen, der je nach Anordnung variiert. Beispielsweise zeigt eine Anordnung von 40×40 Atomen einen Burst, wenn sie sich innerhalb von 0,8 Wellenlängen voneinander befinden.

Laut Masson ist das eine erreichbare Distanz in hochmodernen Versuchsaufbauten. Obwohl es noch keine Details über die Stärke oder Dauer des Ausbruchs ausfüllen kann, wenn das Array größer als 16 Atome ist (diese präzisen Berechnungen sind zu kompliziert, selbst auf Columbias Supercomputern), kann das einfache Vorhersage-Framework, das Masson und Asenjo-Garcia entwickelt haben, dies tun zeigen an, ob eine bestimmte experimentelle Anordnung Überstrahlung erzeugt, was ein Zeichen dafür ist, dass sich Atome kollektiv verhalten.

In manchen Anwendungen – zum Beispiel in sogenannten Superradiant-Lasern, die weniger empfindlich sind thermische Schwankungen als herkömmliche – synchronisierte Atome sind ein wünschenswertes Merkmal, das Forscher in ihre Geräte einbauen möchten. In anderen Anwendungen, wie z. B. Versuchen, atomare Arrays für Quantencomputer physikalisch zu verkleinern, Kollektives Verhalten können zu unbeabsichtigten Ergebnissen führen, wenn sie nicht ordnungsgemäß berücksichtigt werden. „Man kann der kollektiven Natur von nicht entkommen Atomeund es kann in größeren Entfernungen auftreten, als Sie vielleicht erwarten”, sagte Masson.


Überstrahlung eines Ensembles von Kernen, angeregt durch einen Freie-Elektronen-Laser


Mehr Informationen:
Stuart Masson et al., Universalität der Dicke-Superradianz in Arrays von Quantenemittern, Naturkommunikation (2022). doi.org/10.1038/s41467-022-29805-4

RH Dicke, Kohärenz bei spontanen Strahlungsprozessen, Körperliche Überprüfung (2002). DOI: 10.1103/PhysRev.93.99

Zur Verfügung gestellt von
Quanteninitiative der Columbia University


Zitieren: Physiker werfen neues Licht auf ein altes Quantenoptikproblem über kollektives Verhalten (2022, 18. Mai), abgerufen am 18. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-physicists-quantum-optics-problem-behavior.html

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