Fysiker har visat att direkta interaktioner mellan atomer kan förstärka superradiance, en synkroniserad ljuseffekt, genom att inkludera kvantintrassling i sina modeller. Forskningen, som involverar forskare från University of Warsaw och Emory University, avslöjar nya principer för design av kvantbatterier, sensorer och kommunikationsenheter. Publicerad i Physical Review Letters betonar studien hur att förbise atom-atom-krafter har begränsat tidigare förståelser.
Forskare från Fysikfakulteten vid University of Warsaw, Centre for New Technologies vid University of Warsaw och Emory University i Atlanta, USA, har undersökt hur atomer interagerar med ljus i delade optiska lägen inom kaviteteter. Deras arbete, detaljerat i en artikel i Physical Review Letters 2025 med titeln 'Role of Matter Interactions in Superradiant Phenomena' av João Pedro Mendonça, Krzysztof Jachymski och Yao Wang (DOI: 10.1103/z8gv-7yyk), utökar superradiance-modeller. Superradiance uppstår när flera atomer emitterar ljus i perfekt synkronisering, vilket producerar en ljusstyrka som överstiger individuella emissioner.
Traditionella modeller behandlar atomer som en enda 'jättedipol' kopplad via fotoner, men teamet inkluderade korträckviddiga dipol-dipol-krafter mellan närliggande atomer. 'Fotoner fungerar som mediatorer som kopplar varje emittent till alla andra inuti kaviteten', förklarade Dr. João Pedro Mendonça, försteförfattaren som tog sin PhD vid University of Warsaw och nu arbetar vid dess Centre for New Technologies. Dessa direkta interaktioner kan antingen konkurrera med eller förstärka fotonmedierad koppling, vilket påverkar superradiance-trösklar.
Kvantintrassling, den djupa kopplingen mellan partiklar, spelar en central roll. Många semiklassiska tillvägagångssätt ignorerar den och behandlar ljus och materia separat. 'Semiklassiska modeller förenklar kvantproblemet avsevärt men till priset av att förlora avgörande information; de ignorerar effektivt möjlig intrassling mellan fotoner och atomer, och vi fann att detta i vissa fall inte är en bra approximation', noterade författarna. Forskarna utvecklade en beräkningsmetod för att explicit spåra intrassling och korrelationer, och upptäckte en ny ordnad fas med superradiance-egenskaper.
Resultaten har implikationer för kvantteknologier. I kavitetbaserade system kan superradiance påskynda laddning i kvantbatterier och förbättra energieffektiviteten. 'När du behåller ljus-materia-intrassling i modellen kan du förutsäga när en enhet laddas snabbt och när den inte gör det. Det förvandlar en mångkropps effekt till en praktisk designregel', sa Mendonça. Liknande framsteg kan gynna kvantkommunikationsnätverk och högprecisionssensorer. Samarbeidet, som stöds av program som University of Warsaws 'Excellence Initiative -- Research University' (IDUB) och den polska nationella byrån för akademiskt utbyte (NAWA), understryker värdet av internationell mobilitet.