Les physiciens ont montré que les interactions directes entre atomes peuvent amplifier la superradiance, un effet d'émission de lumière synchronisée, en intégrant l'intrication quantique dans leurs modèles. La recherche, impliquant des scientifiques de l'Université de Varsovie et de l'Université Emory, révèle de nouveaux principes pour concevoir des batteries quantiques, des capteurs et des dispositifs de communication. Publiée dans Physical Review Letters, l'étude met en lumière comment ignorer les forces atome-atome a limité les compréhensions précédentes.
Des chercheurs de la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie, du Centre des Nouvelles Technologies de l'Université de Varsovie et de l'Université Emory à Atlanta, aux États-Unis, ont étudié comment les atomes interagissent avec la lumière dans des modes optiques partagés au sein de cavités. Leur travail, détaillé dans un article de Physical Review Letters de 2025 intitulé 'Role of Matter Interactions in Superradiant Phenomena' par João Pedro Mendonça, Krzysztof Jachymski et Yao Wang (DOI : 10.1103/z8gv-7yyk), étend les modèles de superradiance. La superradiance se produit lorsque plusieurs atomes émettent de la lumière en synchronisation parfaite, produisant une luminosité dépassant les émissions individuelles.
Les modèles traditionnels traitent les atomes comme un unique 'dipôle géant' couplé via des photons, mais l'équipe a inclus des forces dipôle-dipôle à courte portée entre atomes voisins. 'Les photons agissent comme des médiateurs qui couplent chaque émetteur aux autres à l'intérieur de la cavité', a expliqué le Dr João Pedro Mendonça, premier auteur qui a obtenu son doctorat à l'Université de Varsovie et travaille maintenant à son Centre des Nouvelles Technologies. Ces interactions directes peuvent soit concurrencer, soit renforcer le couplage médié par les photons, influençant les seuils de superradiance.
L'intrication quantique, la connexion profonde entre particules, joue un rôle central. De nombreuses approches semi-classiques l'ignorent, traitant la lumière et la matière séparément. 'Les modèles semi-classiques simplifient grandement le problème quantique mais au prix de perdre des informations cruciales ; ils ignorent effectivement l'intrication possible entre photons et atomes, et nous avons trouvé que dans certains cas ce n'est pas une bonne approximation', ont noté les auteurs. Les chercheurs ont développé une méthode computationnelle pour suivre explicitement l'intrication et les corrélations, découvrant une nouvelle phase ordonnée avec des propriétés de superradiance.
Les résultats ont des implications pour les technologies quantiques. Dans les systèmes basés sur des cavités, la superradiance pourrait accélérer la charge dans les batteries quantiques, améliorant l'efficacité du transfert d'énergie. 'Une fois que vous conservez l'intrication lumière-matière dans le modèle, vous pouvez prédire quand un dispositif se chargera rapidement et quand il ne le fera pas. Cela transforme un effet à plusieurs corps en une règle de conception pratique', a déclaré Mendonça. Des avancées similaires pourraient bénéficier aux réseaux de communication quantique et aux capteurs de haute précision. La collaboration, soutenue par des programmes comme l''Initiative d'Excellence -- Université de Recherche' (IDUB) de l'Université de Varsovie et l'Agence Nationale Polonaise d'Échange Académique (NAWA), souligne la valeur de la mobilité internationale.