O físico teórico Farokh Mivehvar investigou a interação de duas coleções de átomos que emitem luz dentro de uma cavidade quântica – um dispositivo óptico que consiste em dois pequenos espelhos de alta qualidade voltados um para o outro que confinam a luz dentro de uma pequena área por um tempo prolongado. O modelo e as previsões podem ser implementados e observados em experimentos de eletrodinâmica quântica de cavidades / guias de ondas de última geração e podem ter aplicações na nova geração dos chamados lasers superradiantes.



A superradiância é um dos fenômenos mais surpreendentes e marcantes da óptica quântica. No entanto, pode ser entendido intuitivamente imaginando um átomo como uma pequena antena que pode emitir luz (ou, mais tecnicamente, radiação eletromagnética) sob condições apropriadas.

"Agora imagine que existe uma coleção de N átomos. Quando esses N átomos estão localizados distantes um do outro e excitados termicamente, eles irradiam independentemente um do outro, de modo que a intensidade da luz emitida é proporcional ao número de átomos, N ", explica Farokh Mivehvar, do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck.

Porém, se esses átomos estiverem localizados muito próximos, as antenas atômicas começam a se comunicar e, conseqüentemente, sincronizam-se entre si, emitindo luz cuja intensidade é igual ao quadrado do número de átomos.

“Podemos imaginar esta situação como se os átomos formassem uma única antena gigante que emite luz de forma mais eficiente”, diz Farokh Mivehvar. "Como resultado, os átomos emitem sua energia N vezes mais rápido que os átomos independentes." É esse efeito que é conhecido como superradiância.

A caminho dos lasers superradiantes

Em seu trabalho recente, publicado em Physical Review Letters , Farokh Mivehvar considerou teoricamente duas coleções de átomos, cada uma contendo um número de átomos (N₁ e N₂ ), dentro de uma cavidade quântica. Em cada conjunto, os átomos estão localizados muito próximos uns dos outros e podem emitir luz superradiante.

“No entanto, não é óbvio a priori como é que estas duas antenas gigantes associadas aos dois conjuntos atómicos podem emitir luz simultaneamente”, diz Mivehvar. Isso acaba não sendo trivial. "Em particular, encontramos duas maneiras distintas pelas quais as duas antenas gigantes podem emitir luz."

Na primeira forma, as duas antenas gigantes cooperam entre si e formam uma única antena supergigante, emitindo luz superradiante ainda mais. No entanto, na segunda forma, as duas antenas gigantes competem entre si de forma destrutiva, suprimindo assim a emissão de luz superradiante.

Em particular, quando os dois conjuntos têm o mesmo número de átomos, a emissão de luz superradiante é completamente suprimida. “Além disso, também encontramos casos em que as duas antenas gigantes emitem luz que é uma superposição dos dois tipos mencionados anteriormente e tem caráter oscilatório”, diz Farokh Mivehvar.

O modelo e as previsões podem ser implementados e observados em experimentos de eletrodinâmica quântica de cavidade/guia de ondas de última geração. As descobertas também podem ter aplicações na nova geração dos chamados lasers superradiantes.

Mais informações: Farokh Mivehvar, Modelos Convencionais e Não Convencionais de Dicke:Multiestabilidades e Dinâmica de Não Equilíbrio, Cartas de Revisão Física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.073602. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.05686
Fornecido pela Universidade de Innsbruck