Quando os átomos interagem uns com os outros, eles se comportam como um todo e não como entidades individuais. Isso pode dar origem a respostas sincronizadas às entradas, um fenômeno que, se devidamente compreendido e controlado, pode ser útil para desenvolver fontes de luz, construir sensores que possam fazer medições ultraprecisas e entender a dissipação em computadores quânticos.
Mas você pode dizer quando os átomos de um grupo estão sincronizados? Em novo trabalho em Nature Communications , a física da Columbia Ana Asenjo-Garcia e seu pós-doutorado Stuart Masson mostram como um fenômeno chamado explosão superradiante pode indicar o comportamento coletivo entre matrizes de átomos, resolvendo o que tem sido um problema de décadas para o campo da óptica quântica.

Lançar um laser em um átomo adiciona energia, colocando-o no que é conhecido como estado "excitado". Eventualmente, ele decairá de volta ao seu nível de energia da linha de base, liberando a energia extra na forma de uma partícula de luz chamada fóton. Na década de 1950, o físico Robert Dicke mostrou que a intensidade do pulso de luz emitido por um único átomo excitado, que emite fótons em momentos aleatórios, começará imediatamente a diminuir. O pulso de um grupo será realmente "superradiante", com a intensidade aumentando no início porque os átomos emitem a maior parte da energia em uma explosão de luz curta e brilhante.

O problema? Na teoria de Dicke, os átomos estão todos contidos em um único ponto – uma possibilidade teórica que não pode existir na realidade.

Durante décadas, os pesquisadores debateram se os átomos espaçados em diferentes arranjos, como linhas ou grades simples, exibiriam superradiância ou se qualquer distância eliminaria imediatamente esse sinal externo de comportamento coletivo. De acordo com os cálculos de Masson e Asenjo-Garcia, o potencial está sempre presente. “Não importa como você organize seus átomos ou quantos existam, sempre haverá uma explosão superradiante se eles estiverem próximos o suficiente”, disse Masson.

Sua abordagem supera um grande problema da física quântica:à medida que um sistema aumenta, torna-se exponencialmente mais complicado realizar cálculos sobre ele. De acordo com o trabalho de Asenjo-Garcia e Masson, prever superradiância se resume a apenas dois fótons. Se o primeiro fóton emitido do grupo não acelerar a emissão do segundo, não ocorrerá uma explosão. O fator determinante é a distância entre os átomos, que varia de acordo com a forma como eles estão dispostos. Por exemplo, uma matriz de 40x40 átomos exibirá uma explosão se estiverem a 0,8 de comprimento de onda um do outro.

De acordo com Masson, essa é uma distância alcançável em montagens experimentais de última geração. Embora ainda não possa preencher detalhes sobre a força ou a duração da explosão se a matriz for maior que 16 átomos (esses cálculos precisos são muito complicados, mesmo nos supercomputadores da Columbia), a estrutura preditiva simples desenvolvida por Masson e Asenjo-Garcia pode indicam se um determinado arranjo experimental produzirá superradiância, que é um sinal de que os átomos estão se comportando coletivamente.

Em algumas aplicações – por exemplo, nos chamados lasers superradiantes, que são menos sensíveis a flutuações térmicas do que os convencionais – átomos sincronizados são um recurso desejável que os pesquisadores vão querer incorporar em seus dispositivos. Em outras aplicações, como tentativas de reduzir fisicamente as matrizes atômicas para computação quântica, o comportamento coletivo pode causar resultados não intencionais se não for devidamente contabilizado. "Você não pode escapar da natureza coletiva dos átomos, e isso pode ocorrer a distâncias maiores do que você poderia esperar", disse Masson. + Explorar mais

Superradiância de um conjunto de núcleos excitados por um laser de elétrons livres