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Quando gli atomi interagiscono tra loro, si comportano come un tutto piuttosto che come entità individuali. Ciò può dare origine a risposte sincronizzate agli input, un fenomeno che, se adeguatamente compreso e controllato, può rivelarsi utile per lo sviluppo di sorgenti luminose, la costruzione di sensori in grado di effettuare misurazioni ultraprecise e la comprensione della dissipazione nei computer quantistici.
Ma puoi dire quando gli atomi in un gruppo sono sincronizzati? In un nuovo lavoro in Nature Communications , la fisica della Columbia Ana Asenjo-Garcia e il suo post-dottorato Stuart Masson mostrano come un fenomeno chiamato scoppio superradiante può indicare un comportamento collettivo tra matrici di atomi, risolvendo quello che è stato un problema vecchio di decenni per il campo dell'ottica quantistica.
Far brillare un laser su un atomo aggiunge energia, portandolo in quello che è noto come uno stato "eccitato". Alla fine decadrà al suo livello di energia di base, rilasciando l'energia extra sotto forma di una particella di luce chiamata fotone. Negli anni '50, il fisico Robert Dicke dimostrò che l'intensità dell'impulso di luce emesso da un singolo atomo eccitato, che emette fotoni in momenti casuali, inizierà immediatamente a diminuire. L'impulso di un gruppo sarà effettivamente "superradiante", con un'intensità che all'inizio aumenta perché gli atomi emettono la maggior parte dell'energia in una breve e brillante esplosione di luce.
Il problema? Nella teoria di Dicke, gli atomi sono tutti contenuti in un unico punto, una possibilità teorica che non può esistere nella realtà.
Per decenni, i ricercatori hanno discusso se gli atomi distanziati in diverse disposizioni, come linee o semplici griglie, avrebbero mostrato superradiosità o se una qualsiasi distanza avrebbe eliminato immediatamente questo segno esteriore di comportamento collettivo. Secondo i calcoli di Masson e Asenjo-Garcia, il potenziale è sempre lì. "Non importa come organizzi i tuoi atomi o quanti ce ne siano, ci sarà sempre un'esplosione superradiante se sono abbastanza vicini tra loro", ha detto Masson.
Il loro approccio supera un grosso problema nella fisica quantistica:man mano che un sistema diventa più grande, diventa esponenzialmente più complicato eseguire calcoli su di esso. Secondo il lavoro di Asenjo-Garcia e Masson, la previsione della superradianza si riduce a due soli fotoni. Se il primo fotone emesso dal gruppo non accelera l'emissione del secondo, non si verificherà un burst. Il fattore determinante è la distanza tra gli atomi, che varia a seconda di come sono disposti. Ad esempio, un array di 40x40 atomi mostrerà un burst se si trovano entro 0,8 di una lunghezza d'onda l'uno dall'altro.
Secondo Masson, questa è una distanza raggiungibile in strutture sperimentali all'avanguardia. Sebbene non possa ancora compilare i dettagli sulla forza o sulla durata del burst se l'array è più grande di 16 atomi (questi calcoli precisi sono troppo complicati, anche sui supercomputer della Columbia), il semplice framework predittivo sviluppato da Masson e Asenjo-Garcia può indicare se un dato array sperimentale produrrà superradianza, che è un segno che gli atomi si stanno comportando collettivamente.
In alcune applicazioni, ad esempio nei cosiddetti laser superradianti, che sono meno sensibili alle fluttuazioni termiche rispetto a quelli convenzionali, gli atomi sincronizzati sono una caratteristica desiderabile che i ricercatori vorranno incorporare nei loro dispositivi. In altre applicazioni, come i tentativi di ridurre fisicamente gli array atomici per l'informatica quantistica, il comportamento collettivo potrebbe causare risultati indesiderati se non adeguatamente contabilizzato. "Non puoi sfuggire alla natura collettiva degli atomi e può verificarsi a distanze maggiori di quanto potresti aspettarti", ha affermato Masson. + Esplora ulteriormente
