Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi, Varşova Üniversitesi Yeni Teknolojiler Merkezi ve Emory Üniversitesi’nden (Atlanta, ABD) fizikçilerden oluşan bir ekip, atomların karşılıklı etkileşimlerinin ışıkla kolektif olarak etkileşime girme biçimini nasıl değiştirdiğini analiz etti.
‘da yayınlanan bir makalede Fiziksel İnceleme MektuplarıAraştırmacılar bu olgunun yerleşik modellerini genişletiyorlar. Ekip, doğrudan atom-atom etkileşimlerinin süper parlaklık olarak bilinen kolektif ışık patlamasını güçlendirebileceğini göstererek, kuantum teknolojileri için yeni fırsatlara işaret ediyor.
Işık-madde sistemleri birçok yayıcıyı (örneğin atomları) bir boşluğun aynı optik moduna yerleştirir. Bu mod, yakın aralıklı aynalar arasında hapsedilmiş bir ışık modelidir ve izole edilmiş atomlarda olmayan kolektif etkileri mümkün kılar.
Merkezi bir örnek süper parlaklıktır: birçok atomun aynı fazda yayıldığı ve bireysel yayıcıların toplamından çok daha güçlü ışık ürettiği bir kuantum kolektif etkisi.
Genel olarak bu fenomenle ilgili çalışmalar, ışık-madde eşleşmesinin baskın olduğunu varsayar. Daha sonra tüm topluluk, sonsuz aralıktaki etkileşimlere aracılık eden boşluk alanına eşit şekilde bağlanmış tek bir “dev dipol” olarak modellenir.
Makalenin ilk yazarı ve doktorasını tamamlayan Dr. João Pedro Mendonça, “Fotonlar, her bir yayıcıyı boşluk içindeki diğerlerine bağlayan aracılar gibi davranır” diyor. Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi’nde öğretim görevlisidir ve şu anda Varşova Üniversitesi Yeni Teknolojiler Merkezi’nde araştırmacı olarak çalışmaktadır.
Ancak gerçek malzemelerde komşu yayıcılar, genellikle ihmal edilen kısa mesafeli dipol-dipol etkileşimleri yoluyla da birbirlerini etkiler. Bu çalışma, içsel atom-atom etkileşimleri yeniden sağlandığında nelerin değiştiğini soruyor.
Çalışma, bu etkileşimlerin, süper parlaklığı sağlayan foton aracılı etkileşimlerle rekabet edebileceğini veya bunları güçlendirebileceğini gösteriyor. Bu dengeyi anlamak, ışık ve maddenin birbirini önemli ölçüde etkilediği rejimlerdeki deneyleri yorumlamak için gereklidir.
Dolaşma, ortak ışık-madde tepkisinin merkezinde yer alır. Ancak birçok sayısal ve analitik yaklaşım, ışık ve maddeyi bağımsız olarak ele alıyor ve bu da bu bağlantıyı etkili bir şekilde ortadan kaldırıyor.
Yazarlar şöyle açıklıyor: “Yarı klasik modeller, kuantum problemini büyük ölçüde basitleştiriyor, ancak önemli bilgileri kaybetme pahasına; fotonlar ve atomlar arasındaki olası dolaşıklığı etkili bir şekilde göz ardı ediyorlar ve bazı durumlarda bunun iyi bir yaklaşım olmadığını gördük.”
Çalışma, dolanıklığı açık tutan, hem alt sistemler içindeki hem de alt sistemler arasındaki korelasyonları yakalayan hesaplamalı bir yaklaşım sunuyor.
Bu yöntemi kullanarak yazarlar, yakındaki yayıcılar arasındaki içsel etkileşimlerin, süper parlaklık eşiğini azaltabildiğini ve süper radyant özelliklere sahip, daha önce gözden kaçan düzenli bir durumu ortaya çıkarabildiğini göstermektedir. Birlikte ele alındığında, sonuçlar, ışık-madde sistemlerindeki tüm durum kümesinin haritasını çıkarmak için dolaşıklığın hesaba katılmasının gerekli olduğunu göstermektedir.
Temel ilginin ötesinde, kavite ışık-madde platformları yeni ortaya çıkan kuantum teknolojilerini desteklemektedir. Öne çıkan bir örnek kuantum pillerdir: prensipte kolektif kuantum korelasyonlarından yararlanarak daha hızlı ve daha verimli şarj ve deşarj olabilen cihazlar.
Süper radyant dinamikler hem şarjı hem de deşarjı hızlandırarak enerji aktarım verimliliğini artırabilir. Bu çalışma, yakındaki yayıcılar arasındaki mikroskobik etkileşimlerin bu dinamikleri nasıl şekillendirdiğini açıklığa kavuşturuyor: süper parlaklık için gereken koşulları değiştirerek ve sistemi durumlar arasında yönlendirerek, bu içsel etkileşimler, gerçek malzemelerde ve boşluklarda en uygun şarj koşullarını tasarlamak için ayarlanabilir mühendislik parametreleri haline gelir.
João Pedro Mendonça, “Işık-madde dolaşıklığını modelin içinde tuttuğunuzda, bir cihazın ne zaman hızlı şarj olacağını, ne zaman şarj olmayacağını tahmin edebilirsiniz. Bu, çok cisim etkisini pratik bir tasarım kuralına dönüştürür” dedi. Işık-madde korelasyonları üzerindeki benzer kontrol, kuantum ağları ve hassas sensörler dahil olmak üzere diğer platformlar için de geçerlidir.
Proje, birden fazla kurumun uzmanlığını birleştiren uluslararası bir işbirliğinden doğmuştur. João Pedro Mendonça, Amerika Birleşik Devletleri’ne çok sayıda araştırma ziyareti gerçekleştirdi. Yakın işbirliği, sonuçların şekillenmesinde önemli bir rol oynadı. Ekip, “Bu, uluslararası hareketlilik ve işbirliğinin nasıl atılımlara kapı açabileceğinin harika bir örneği” diye belirtiyor.
