Físicos han demostrado que las interacciones directas entre átomos pueden amplificar la superradiancia, un efecto de emisión de luz sincronizada, incorporando el entrelazamiento cuántico en sus modelos. La investigación, que involucra a científicos de la Universidad de Varsovia y la Universidad de Emory, revela nuevos principios para diseñar baterías cuánticas, sensores y dispositivos de comunicación. Publicada en Physical Review Letters, el estudio destaca cómo pasar por alto las fuerzas átomo-átomo ha limitado las comprensiones previas.
Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, el Centro de Nuevas Tecnologías de la Universidad de Varsovia y la Universidad de Emory en Atlanta, EE.UU., han investigado cómo los átomos interactúan con la luz en modos ópticos compartidos dentro de cavidades. Su trabajo, detallado en un artículo de Physical Review Letters de 2025 titulado 'Role of Matter Interactions in Superradiant Phenomena' de João Pedro Mendonça, Krzysztof Jachymski y Yao Wang (DOI: 10.1103/z8gv-7yyk), amplía los modelos de superradiancia. La superradiancia ocurre cuando múltiples átomos emiten luz en perfecta sincronización, produciendo un brillo que excede las emisiones individuales.
Los modelos tradicionales tratan a los átomos como un solo 'dipolo gigante' acoplado a través de fotones, pero el equipo incluyó fuerzas dipolo-dipolo de corto alcance entre átomos cercanos. 'Los fotones actúan como mediadores que acoplan cada emisor con todos los demás dentro de la cavidad', explicó el Dr. João Pedro Mendonça, primer autor que obtuvo su doctorado en la Universidad de Varsovia y ahora trabaja en su Centro de Nuevas Tecnologías. Estas interacciones directas pueden competir o reforzar el acoplamiento mediado por fotones, influyendo en los umbrales de superradiancia.
El entrelazamiento cuántico, la profunda conexión entre partículas, juega un papel central. Muchos enfoques semiclasicos lo ignoran, tratando la luz y la materia por separado. 'Los modelos semiclasicos simplifican enormemente el problema cuántico, pero a costa de perder información crucial; efectivamente ignoran el posible entrelazamiento entre fotones y átomos, y encontramos que en algunos casos esto no es una buena aproximación', notaron los autores. Los investigadores desarrollaron un método computacional para rastrear explícitamente el entrelazamiento y las correlaciones, descubriendo una nueva fase ordenada con propiedades de superradiancia.
Los hallazgos tienen implicaciones para las tecnologías cuánticas. En sistemas basados en cavidades, la superradiancia podría acelerar la carga en baterías cuánticas, mejorando la eficiencia de transferencia de energía. 'Una vez que mantienes el entrelazamiento luz-materia en el modelo, puedes predecir cuándo un dispositivo se cargará rápidamente y cuándo no. Eso convierte un efecto de muchos cuerpos en una regla de diseño práctica', dijo Mendonça. Avances similares pueden beneficiar a redes de comunicación cuántica y sensores de alta precisión. La colaboración, apoyada por programas como la 'Iniciativa de Excelencia -- Universidad de Investigación' (IDUB) de la Universidad de Varsovia y la Agencia Nacional Polaca de Intercambio Académico (NAWA), subraya el valor de la movilidad internacional.