Superradiancja we wnękach optycznych obejmuje atomy emitujące światło zbiorowo podczas interakcji z fotonami wnękowymi, a jest to zjawisko nieobserwowane jeszcze w wolnej przestrzeni ze względu na wyzwania związane z synchronizacją.
Naukowcy wykorzystali symulacje teoretyczne, aby zbadać te efekty w różnych warunkach, ujawniając znaczące różnice w zachowaniu między systemami wnękowymi a systemami wolnej przestrzeni.
Superradiancja we wnękach optycznych
Odizolowane atomy w wolnej przestrzeni emitują energię niezależnie i we własnym tempie. Natomiast umieszczone we wnęce optycznej oddziałują z fotonami odbijającymi się od zwierciadeł wnęki. Ta interakcja umożliwia atomom synchronizację[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>photon emissions, radiating collectively in unison — a phenomenon called superradiance. Remarkably, when a moderate external laser excites these atoms, their light absorption and collective emission can balance, enabling the system to settle into a steady state with a finite level of excitation.
However, if the laser’s energy surpasses a certain threshold, the system’s behavior changes dramatically. The atoms can no longer emit light collectively fast enough to keep up with the incoming laser energy. As a result, they continuously emit and absorb photons without ever reaching a stable state. Although this shift in steady-state behavior was predicted theoretically decades ago, it has yet to be confirmed through experimental observation.
Collaboration and Theoretical Insights
Recent research at the Laboratoire Charles Fabry and the Institut d’Optique in Paris studied a collection of atoms in free space forming an elongated, pencil-shaped cloud and reported the potential observation of this desired phase transition. Yet, the results of this study puzzled other experimentalists since atoms in free space don’t easily synchronize.
To better understand these findings, JILA and NIST Fellow Ana Maria Rey and her theory team collaborated with an international team of experimentalists. The theorists found that atoms in free space can only partially synchronize their emission, suggesting that the free-space experiment did not observe the superradiant phase transition. These results are published in PRX Quantum.
Challenges in Free-Space Synchronization
“While our current simulations were able to reproduce the experimental data, and explained why full synchronization cannot take place under current experimental conditions, a remaining open question is whether the phase transition could happen under different conditions, and at higher densities, where our theoretical methods fail and instead a genuine quantum description is required,” explains Rey.
In physics, solving complex problems often requires the combined efforts of both theorists and experimentalists. Theorists develop mathematical models and simulations to predict how systems should behave. Conversely, experimentalists conduct experiments to test and challenge these predictions. This collaboration helps bridge the gap between abstract ideas and observable phenomena.
Exploring Quantum States in Different Systems
“One of the big questions people are trying to answer is if it’s possible to create entangled states in different atomic systems,” explains Sanaa Agarwal, a graduate student in Rey’s group and the paper’s first author. “In a cavity system, this is enabled by these collective all-to-all interactions [atoms interacting one-to-one]ale w wolnej przestrzeni wymaga to jeszcze wyjaśnienia”.
System wnęk można dostroić tak, aby wprowadzał atomy w określone stany kwantowe. Natomiast systemy wolnej przestrzeni są mniej kontrolowane.
„W wolnej przestrzeni można przyjrzeć się wielu efektom, takim jak częstotliwość wywołana interakcjami” – mówi Agarwal. „Występuje także emisja we wszystkich możliwych kierunkach, a nie tylko głównie do układu wnękowego. Oczekuje się zatem, że te efekty zmienią fizykę w systemie i dlatego zaczęliśmy się temu przyglądać i rzeczywiście odkryliśmy, że jest zupełnie inaczej”.
Symulacja systemu wolnej przestrzeni
Specyficzne warunki eksperymentalne w wolnej przestrzeni wzbudziły pytanie, czy zaobserwowane zachowania były rzeczywiście nadpromienne, czy przypadkowe.
Aby odpowiedzieć na te pytania, badacze przeprowadzili serię symulacji teoretycznych, korzystając z modelu uwzględniającego każdą z nich atom jako dipol pochłaniający i emitujący fotony z lasera oraz światło emitowane przez inne atomy.
„To było interesujące wyzwanie, ponieważ liczba dostępnych stanów we wnęce rośnie liniowo, ale w wolnej przestrzeni może rosnąć wykładniczo wraz z rozmiarem systemu” – wyjaśnia Rey. „W wielu przypadkach interakcje mogą być na tyle słabe, że możliwe jest uproszczone leczenie, ale początkowo nie było jasne, czy tak będzie w tym eksperymencie”.
Argawal dodaje: „Rozważaliśmy model mikroskopowy, w którym każdy atom zachowuje się jak dipol, i wykorzystaliśmy go do badania wyłaniających się właściwości całej chmury atomowej. Wiązka laserowa to fala płaska, która odciska na atomach określony wzór fazowy, co ma kluczowe znaczenie przy określaniu interakcji między atomami.
Naukowcy symulowali różne warunki, w tym różną moc lasera i gęstość atomów, aby zobaczyć, jak te czynniki wpływają na zachowanie systemu.
„Nasze symulacje wykazały, że „przybliżenie pola średniego”, które znacznie zmniejsza złożoność poprzez traktowanie atomów jak klasycznych magnesów, wystarczyło do odtworzenia fizyki” – zauważa Rey.
Aby zapewnić spójne wyniki, model ten poddano walidacji przy użyciu bardziej złożonych podejść.
Potwierdzanie teorii danymi eksperymentalnymi
„Kiedy porównywaliśmy teorię z danymi, nie byliśmy pewni, czy się z nią zgadzają” – mówi Agarwal. „Niektóre dane można było dość łatwo porównać, ponieważ aparatura eksperymentalna była mniej niejednoznaczna. Kiedy więc nasze ustalenia potwierdziły się z tymi wynikami, otrzymaliśmy wotum zaufania, że to, co robimy, ma sens”.
Na podstawie swoich symulacji badacze doszli do wniosku, że chociaż eksperyment w wolnej przestrzeni zgadzał się z modelem wnęki, w wąskim zakresie intensywności lasera i gęstości atomów oba systemy zachowywały się zasadniczo odmiennie. Gdy moc lasera wzrosła powyżej pewnego progu, zbiorowe efekty, które spowodowały superpromieniowanie we wnęce, zniknęły w wolnej przestrzeni, a atomy zachowywały się bardziej jak niezależne emitery, a nie skoordynowana grupa.
Postęp w zrozumieniu zjawisk kwantowych
Odkrycia te otwierają nowe ścieżki badawcze w fizyce kwantowej i potwierdzają ogromną wartość współpracy eksperymentów i teorii w celu lepszego zrozumienia podstawowej fizyki.
„Chociaż w naszych symulacjach udało się odtworzyć obserwacje eksperymentalne w reżimie, w którym układ jest rozcieńczony, a przybliżenie średniego pola jest prawidłowe, bardzo ekscytujące będzie badanie nowych reżimów, w których nasze obecne modele teoretyczne staną się przestarzałe i wymagane są lepsze metody leczenia – dodaje Rey. „Nasza grupa będzie szukać sposobów na ulepszenie naszych obliczeń i przygotowanie nas na nadchodzące nowe, ekscytujące pomiary”.
Odniesienie: „Kierunkowa superradiancja w napędzanym ultrazimnym gazie atomowym w wolnej przestrzeni” autorstwa Sanaa Agarwal, Edwin Chaparro, Diego Barberena, A. Piñeiro Orioli, G. Ferioli, S. Pancaldi, I. Ferrier-Barbut, A. Browaeys i AM Rey , 3 grudnia 2024 r., PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.040335
Prace te były wspierane przez JILA Physics Frontier Center (PFC), Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Akcelerator Systemów Kwantowych Narodowego Ośrodka Badań nad Informacją Kwantową oraz Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST).
