Naukowcy z Wydziału Fizyki i Centrum Nowych Technologii UW oraz Uniwersytetu Emory w stanie Atlanta w USA zbadali, jak wzajemne oddziaływania atomów zmieniają sposób emisji światła, co otwiera nowe możliwości dla technologii kwantowych. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”.
W układach światło-materia w tym samym modzie – czyli wiązce światła – mogą zostać umieszczone emitery. Kolektywne sprzężenie tego typu umożliwia powstanie efektów, które są nieosiągalne w przypadku pojedynczych emiterów. Dobrym przykładem jest nadpromienistość, gdzie wiele atomów promieniuje w tej samej fazie.
Jednak w rzeczywistych materiałach atomy wpływają na siebie nawzajem poprzez krótkozasięgowe oddziaływania dipol-dipol, co w obliczeniach jest zazwyczaj pomijane. Badania naukowców z UW i Uniwersytetu Emory w USA wykazały, że oddziaływania dipol-dipol, które są zazwyczaj pomijane, mogą wzmacniać fotony.
–Fotony działają tu jak mediatory, które sprzęgają każdy emiter ze wszystkimi innymi wewnątrz wnęki – mówi João Pedro Mendonça, badacz z Centrum Nowych Technologii UW.
U podstaw skomplikowanych własności układów światło-materia leżą kwantowe korelacje zwane splątaniem. Jednak wiele podejść numerycznych i analitycznych traktuje światło i materię jako niezależne, co skutecznie zaciera to powiązanie.
–Modele półklasyczne znacznie upraszczają problem kwantowy, ale kosztem utraty kluczowych informacji; skutecznie ignorują możliwe splątanie między fotonami i atomami, a my stwierdziliśmy, że w niektórych przypadkach nie jest to dobre przybliżenie – wyjaśniają autorzy publikacji.
Stosując metodę obliczeniową, autorzy zbadali korelacje zarówno w obrębie podsystemów, jak i między nimi. Badania wykazały, że interakcje między pobliskimi emiterami mogą na przykład obniżyć próg wystąpienia nadpromienistości, ale też prowadzą do nieznanych wcześniej stanów uporządkowania materii z nadpromienistymi właściwościami.
Baterie kwantowe
Uzyskane wyniki mogą być korzystne do zastosowań praktycznych w przyszłości i otwierają nowe możliwości dla technologii kwantowych. Jednym z takich przykładów są baterie kwantowe – urządzenia, które dzięki korelacjom kwantowym mogą ładować i rozładowywać się szybciej i wydajniej.
–Gdy w modelu zachowa się splątanie światło-materia, można przewidzieć, kiedy urządzenie będzie się szybko ładować, a kiedy nie. Uwzględnienie subtelnego efektu kwantowego może prowadzić do praktycznych wskazówek dla inżynierów kwantowych – mówi dr João Pedro Mendonça. Kontrola nad korelacjami światło-materia jest istotna również dla innych platform technologicznych jak sieci kwantowe i sensory.
Wyniki badań naukowców zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”: