物理学者らは、原子間の直接的な相互作用が量子もつれをモデルに組み込むことで、超放射——同期した光放出効果——を増幅できることを示した。この研究は、ワルシャワ大学とエモリー大学の科学者らによるもので、量子電池、センサー、通信デバイスの設計のための新しい原則を明らかにしている。Physical Review Lettersに掲載されたこの研究は、原子-原子間力の無視がこれまでの理解を制限していた点を強調している。
ワルシャワ大学の物理学部、ワルシャワ大学の新技術センター、および米国アトランタのエモリー大学の研究者らは、キャビティ内の共有光学モードで原子が光とどのように相互作用するかを調査した。彼らの研究は、2025年のPhysical Review Lettersに掲載された論文「Role of Matter Interactions in Superradiant Phenomena」（João Pedro Mendonça、Krzysztof Jachymski、Yao Wang著、DOI: 10.1103/z8gv-7yyk）で詳細に記述されており、超放射モデルを拡張している。超放射は、複数の原子が完璧に同期して光を放出する現象で、個々の放出を超える輝度を生み出す。
伝統的なモデルでは、原子を光子を介して結合した単一の「巨大双極子」として扱うが、チームは近接原子間の短距離双極子-双極子力を含めた。「光子はキャビティ内の各放出体を他のすべてのものに結合させる媒介者として機能する」と、ワルシャワ大学で博士号を取得し、現在は同大学の新技術センターで働く筆頭著者のJoão Pedro Mendonça博士が説明した。これらの直接的な相互作用は、光子媒介の結合と競合するか強化し、超放射の閾値に影響を与える。
量子もつれ、粒子間の深いつながりは中心的な役割を果たす。多くの半古典的アプローチではこれを無視し、光と物質を別々に扱う。「半古典モデルは量子問題を大幅に簡略化するが、重要な情報を失う代償を払う；光子と原子の間の可能なもつれを効果的に無視し、いくつかの場合ではこれが良い近似ではないことがわかった」と著者らは述べた。研究者らは、もつれと相関を明示的に追跡する計算手法を開発し、超放射特性を持つ新しい秩序相を発見した。
この発見は量子技術に影響を及ぼす。キャビティベースのシステムでは、超放射が量子電池の充電を加速し、エネルギー伝達効率を向上させる可能性がある。「光-物質のもつれをモデルに保持すれば、デバイスの急速充電がいつ起こるか、起こらないかを予測できる。これにより、多体系効果を実用的な設計規則に変えることができる」とMendonçaは述べた。同様の進歩は量子通信ネットワークや高精度センサーに利益をもたらす可能性がある。この協力は、ワルシャワ大学の「Excellence Initiative -- Research University」（IDUB）やポーランド国家学術交流機関（NAWA）などのプログラムの支援を受け、国際的な流動性の価値を強調している。