Группа физиков из факультета физики Варшавского университета, Центра новых технологий Варшавского университета и Университета Эмори (Атланта, США) проанализировала, как взаимные взаимодействия атомов изменяют их коллективное взаимодействие со светом.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи расширяют существующие модели этого явления. Они показывают, что прямые взаимодействия между атомами могут усиливать коллективный всплеск света, известный как сверхизлучение. Это указывает на новые возможности для квантовых технологий.
Системы свет–вещество
Системы свет–вещество помещают множество излучателей (например, атомов) в один и тот же оптический режим резонатора. Этот режим представляет собой модель света, заключённого между близко расположенными зеркалами, и позволяет создавать коллективные эффекты, отсутствующие для изолированных атомов.
Центральный пример — сверхизлучение: квантовый коллективный эффект, при котором многие атомы излучают синхронно, создавая свет гораздо более сильный, чем сумма отдельных излучателей.
В целом, исследования этого явления предполагают, что взаимодействие свет–вещество доминирует. Весь ансамбль затем моделируется как единый «гигантский диполь», равномерно связанный с полем резонатора, который опосредует взаимодействия на бесконечном расстоянии.
Доктор Жуан Педро Мендонса, первый автор статьи, завершает свою докторскую диссертацию на факультете физики Варшавского университета и сейчас работает исследователем в Центре новых технологий Варшавского университета. Он объясняет, что в реальных материалах соседние излучатели также влияют друг на друга через короткодействующие диполь-дипольные взаимодействия, которые часто игнорируются.
Результаты исследования
Исследование показывает, что эти взаимодействия могут либо конкурировать с опосредованными фотонами взаимодействиями, которые управляют сверхизлучением, либо усиливать их. Понимание этого баланса имеет важное значение для интерпретации экспериментов в режимах, где свет и вещество значительно влияют друг на друга.
Запутанность лежит в основе совместной реакции свет–вещество. Однако многие численные и аналитические подходы рассматривают свет и вещество как независимые, что фактически стирает эту связь.
Авторы объясняют, что полуклассические модели значительно упрощают квантовую задачу, но ценой потери важной информации; они фактически игнорируют возможную запутанность между фотонами и атомами, и авторы обнаружили, что в некоторых случаях это не является хорошим приближением.
Исследование представляет вычислительный подход, который сохраняет запутанность, фиксируя корреляции как внутри, так и между подсистемами. Используя этот метод, авторы показывают, что внутренние взаимодействия между соседними излучателями могут снизить порог для сверхизлучения и выявить ранее незамеченное упорядоченное состояние со сверхизлучательными свойствами.
Применение в квантовых технологиях
Помимо фундаментального интереса, платформы свет–вещество в резонаторах лежат в основе новых квантовых технологий. Ярким примером являются квантовые батареи: устройства, которые в принципе могут заряжаться и разряжаться быстрее и эффективнее за счёт коллективных квантовых корреляций.
Сверхизлучательная динамика может ускорить как зарядку, так и разрядку, повышая эффективность передачи энергии. Это исследование проясняет, как микроскопические взаимодействия между соседними излучателями формируют эту динамику: смещая условия, необходимые для сверхизлучения, и управляя системой между состояниями, эти внутренние взаимодействия становятся настраиваемыми инженерными параметрами для проектирования оптимальных условий зарядки в реальных материалах и резонаторах.
Проект возник в результате международного сотрудничества, объединившего экспертов из разных учреждений. Жуан Педро Мендонса провёл несколько исследовательских визитов в Соединённые Штаты. Тесное сотрудничество сыграло ключевую роль в формировании результатов.
Новая техника в оптической визуализации
Когда Дарвин Кирозо впервые начал работать с оптикой в качестве студента, он разрабатывал атомные магнитометры. Этот опыт пробудил растущее любопытство по поводу того, как свет взаимодействует с веществом, интерес, который привёл его к новой технике в оптической визуализации.
Кирозо, аспирант факультета электротехники, компьютерных и энергетических инженерных наук в Университете Колорадо в Боулдере, является одним из первых авторов нового исследования, демонстрирующего, как оптическое устройство на основе жидкости, известное как призма электрокаплепадения, может использоваться для управления лазерами на высоких скоростях для передовых приложений визуализации.
Работа, опубликованная в Optics Express, проведённая вместе с аспирантом факультета машиностроения Эдуардо Мисклсом и старшим научным сотрудником Мо Зохраби, открывает двери для новых технологий в микроскопии, лидарах, оптической связи и даже визуализации мозга.
Большинство лазерных сканеров сегодня используют механические зеркала для управления лучами света. Подход Кирозо заменяет их на пропускающее, неманипуляционное устройство, которое меньше, потребляет меньше энергии и потенциально проще для масштабирования в миниатюрные системы визуализации.
Традиционная лазерная сканирующая микроскопия работает путём направления сфокусированного луча света по образцу, как по сетке, линия за линией. Этот метод обеспечивает мощные изображения высокого разрешения клеток и нейронов, но требует быстрого и точного управления лазерным лучом.
Именно здесь на помощь приходит призма электрокаплепадения. В отличие от твёрдых зеркал, призма использует тонкий слой жидкости, поверхность которого можно точно контролировать с помощью напряжения. Изменяя форму жидкости, исследователи могут изгибать и направлять световые лучи без перемещения механических частей.
Кирозо и Мисклс продвинули технологию дальше, продемонстрировав двумерное сканирование со скоростью от 25–75 Гц, что является важной вехой на пути к созданию устройств, пригодных для визуализации в реальных условиях.
Перспективы этой технологии выходят далеко за пределы лаборатории. Поскольку призмы электрокаплепадения компактны и энергоэффективны, их можно интегрировать в миниатюрные микроскопы, достаточно маленькие, чтобы поместиться на голове мыши.
«Представьте себе возможность наблюдать активность мозга в режиме реального времени, пока животное бежит по лабиринту», — сказал Кирозо. «Именно такую визуализацию в реальном времени эта технология может обеспечить, и она может изменить то, как мы изучаем неврологические состояния, такие как посттравматическое стрессовое расстройство или болезнь Альцгеймера».
published in Physical Review Letters, the researchers extend established models of this phenomenon. By showing that direct atom–atom interactions can strengthen a collective burst of light known as superradiance, the team points to new opportunities for quantum technologies.»,»Light–matter systems place many emitters (e.g., atoms) in the same optical mode of a cavity. This mode is a pattern of light confined between closely spaced mirrors, and it enables collective effects absent for isolated atoms.»,»A central example is superradiance: a quantum collective effect where many atoms radiate in phase, producing light much stronger than the sum of the individual emitters.»,»In general, studies of this phenomenon assume that light–matter coupling dominates. The whole ensemble is then modeled as a single \»giant dipole\» uniformly coupled to the cavity field, which mediates infinite-range interactions.»,»\»Photons act as mediators that couple each emitter to all others inside the cavity,\» says Dr. João Pedro Mendonça, the first author of the article, who completed his Ph.D. at the Faculty of Physics of the University of Warsaw and is now working as a researcher at the Center for New Technologies at the University of Warsaw.»,»In real materials, however, neighboring emitters also influence each other through short-range dipole–dipole interactions, which are often neglected. This work asks what changes when intrinsic atom–atom interactions are restored.»,»The study shows that these interactions can either compete with or reinforce the photon-mediated interactions that drive superradiance. Understanding this balance is essential for interpreting experiments in regimes where light and matter significantly influence each other.»,»Entanglement lies at the core of the joint light–matter response. Yet many numerical and analytical approaches treat light and matter as independent, which effectively washes out that link.»,»\»Semiclassical models greatly simplify the quantum problem but at the cost of losing crucial information; they effectively ignore possible entanglement between photons and atoms, and we found that in some cases this is not a good approximation,\» the authors explain.»,»The study introduces a computational approach that keeps entanglement explicit, capturing correlations both within and across the subsystems.»,»Using this method, the authors show that intrinsic interactions between nearby emitters can lower the threshold for superradiance and reveal a previously overlooked ordered state with superradiant properties. Taken together, the results show that accounting for entanglement is essential to chart the full set of states in light–matter systems.»,»Beyond fundamental interest, cavity light–matter platforms underpin emerging quantum technologies. A prominent example is quantum batteries: devices that, in principle, can charge and discharge faster and more efficiently by exploiting collective quantum correlations.»,»Superradiant dynamics can accelerate both charging and discharging, improving energy-transfer efficiency. This study clarifies how microscopic interactions between nearby emitters shape those dynamics: by shifting the conditions required for superradiance and steering the system between states, these intrinsic interactions become tunable engineering parameters for designing optimal charging conditions in real materials and cavities.»,»\»Once you keep light–matter entanglement in the model, you can predict when a device will charge quickly and when it won’t. That turns a many-body effect into a practical design rule,\» said João Pedro Mendonça. Similar control over light–matter correlations is also relevant for other platforms, including quantum networks and precision sensors.»,»The project originated from an international collaboration that combined expertise from multiple institutions. João Pedro Mendonça carried out multiple research visits to the United States. Close collaboration played a key role in shaping the results. \»This is a great example of how international mobility and collaboration can open the door to breakthroughs,\» the team notes.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Warsaw\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник