Wanneer atomen met elkaar interageren, gedragen ze zich als een geheel in plaats van individuele entiteiten. Dat kan leiden tot gesynchroniseerde reacties op inputs, een fenomeen dat, als het goed wordt begrepen en gecontroleerd, nuttig kan zijn voor het ontwikkelen van lichtbronnen, het bouwen van sensoren die ultraprecieze metingen kunnen doen en het begrijpen van dissipatie in kwantumcomputers.

Maar kun je zien wanneer atomen in een groep zijn gesynchroniseerd? In nieuw werk in Nature Communications , Columbia-fysicus Ana Asenjo-Garcia en haar postdoc Stuart Masson laten zien hoe een fenomeen dat een superradiante burst wordt genoemd, kan wijzen op collectief gedrag tussen arrays van atomen, waarmee ze een decennia oud probleem oplossen op het gebied van kwantumoptica.

Door met een laser op een atoom te schijnen, wordt energie toegevoegd, waardoor het in een zogenaamde "opgewonden" toestand komt. Uiteindelijk zal het terugvallen naar zijn basisenergieniveau, waarbij de extra energie vrijkomt in de vorm van een lichtdeeltje dat een foton wordt genoemd. In de jaren vijftig toonde natuurkundige Robert Dicke aan dat de intensiteit van de lichtpuls die wordt uitgezonden door een enkel aangeslagen atoom, dat op willekeurige tijdstippen fotonen uitzendt, onmiddellijk zal afnemen. De puls van een groep zal in feite "superradiant" zijn, waarbij de intensiteit eerst toeneemt omdat de atomen het grootste deel van de energie in een korte, heldere lichtstraal uitzenden.

Het probleem? In de theorie van Dicke zijn de atomen allemaal vervat in één enkel punt - een theoretische mogelijkheid die in werkelijkheid niet kan bestaan.

Decennialang hebben onderzoekers gedebatteerd over de vraag of atomen die in verschillende rangschikkingen zijn verdeeld, zoals lijnen of eenvoudige rasters, superstraling zouden vertonen, of dat enige afstand dit uiterlijke teken van collectief gedrag onmiddellijk zou elimineren. Volgens de berekeningen van Masson en Asenjo-Garcia is er altijd potentieel. "Het maakt niet uit hoe je je atomen rangschikt of hoeveel er zijn, er zal altijd een superradiante uitbarsting zijn als ze dicht genoeg bij elkaar zijn," zei Masson.

Hun aanpak overwint een groot probleem in de kwantumfysica:naarmate een systeem groter wordt, wordt het exponentieel ingewikkelder om er berekeningen over uit te voeren. Volgens het werk van Asenjo-Garcia en Masson komt het voorspellen van superstraling allemaal neer op slechts twee fotonen. Als het eerste door de groep uitgezonden foton de emissie van het tweede niet versnelt, zal er geen uitbarsting plaatsvinden. De bepalende factor is de afstand tussen atomen, die varieert door de manier waarop ze zijn gerangschikt. Een array van 40x40 atomen zal bijvoorbeeld een burst vertonen als ze zich binnen 0,8 van een golflengte van elkaar bevinden.

Volgens Masson is dat een haalbare afstand in ultramoderne experimentele opstellingen. Hoewel het nog geen details kan invullen over de sterkte of duur van de burst als de array groter is dan 16 atomen (die nauwkeurige berekeningen zijn te ingewikkeld, zelfs op de supercomputers van Columbia), kan het eenvoudige voorspellende raamwerk dat Masson en Asenjo-Garcia ontwikkelden geven aan of een bepaalde experimentele array superradiance zal produceren, wat een teken is dat atomen zich collectief gedragen.

In sommige toepassingen, bijvoorbeeld in zogenaamde superradiante lasers, die minder gevoelig zijn voor thermische fluctuaties dan conventionele lasers, zijn gesynchroniseerde atomen een wenselijke functie die onderzoekers in hun apparaten willen opnemen. In andere toepassingen, zoals pogingen om atomaire arrays fysiek te verkleinen voor kwantumcomputing, kan collectief gedrag onbedoelde resultaten veroorzaken als er niet op de juiste manier rekening mee wordt gehouden. "Je kunt niet ontsnappen aan de collectieve aard van atomen, en het kan voorkomen op grotere afstanden dan je zou verwachten", zei Masson. + Verder verkennen

Superradiantie van een ensemble van kernen geëxciteerd door een vrije elektronenlaser