Fizikanët hedhin dritë të re mbi një problem të vjetër të optikës kuantike në lidhje me sjelljen kolektive
Kur atomet ndërveprojnë me njëri-tjetrin, ata sillen si një e tërë dhe jo si entitete individuale. Kjo mund të shkaktojë përgjigje të sinkronizuara ndaj inputeve, një fenomen që, nëse kuptohet dhe kontrollohet siç duhet, mund të jetë i dobishëm për zhvillimin e burimeve të dritës, ndërtimin e sensorëve që mund të marrin matje tepër të sakta dhe të kuptojnë shpërndarjen në kompjuterët kuantikë.
Por a mund të dalloni kur atomet në një grup sinkronizohen? Në punën e re në Nature Communications, fizikantja nga Kolumbia, Ana Asenjo-Garcia dhe doktori i saj, Stuart Masson, tregojnë se si një fenomen i quajtur një shpërthim superrrezatues mund të tregojë sjelljen kolektive midis grupeve të atomeve, duke zgjidhur atë që ka qenë një problem prej dekadash për fushën e optikës kuantike.
Shkëlqimi i një lazeri në një atom shton energji, duke e vendosur atë në atë që njihet si një gjendje “e ngacmuar”. Përfundimisht ajo do të kalbet përsëri në nivelin e saj bazë të energjisë, duke çliruar energjinë shtesë në formën e një grimce drite të quajtur foton. Në vitet 1950, fizikani Robert Dicke tregoi se intensiteti i pulsit të dritës të emetuar nga një atom i vetëm i ngacmuar, i cili lëshon fotone në kohë të rastësishme, do të fillojë menjëherë të bjerë. Pulsi nga një grup në fakt do të jetë “superrrezatues”, me intensitet në rritje në fillim, sepse atomet emetojnë pjesën më të madhe të energjisë në një shpërthim të shkurtër dhe të shndritshëm drite.
Problemi? Në teorinë e Dicke, atomet përmbahen të gjithë brenda një pike të vetme – një mundësi teorike që nuk mund të ekzistojë në realitet.
Për dekada të tëra, studiuesit debatuan nëse atomet e ndarë në rregullime të ndryshme, si vija apo rrjete të thjeshta, do të shfaqnin superrrezatim, ose nëse ndonjë distancë do ta eliminonte menjëherë këtë shenjë të jashtme të sjelljes kolektive. Sipas llogaritjeve të Masson dhe Asenjo-Garcia, potenciali është gjithmonë aty. “Pavarësisht se si i rregulloni atomet tuaja ose sa ka, gjithmonë do të ketë një shpërthim superrrezatues nëse ato janë mjaft afër njëri-tjetrit,” tha Masson.
Qasja e tyre kapërcen një problem të madh në fizikën kuantike: ndërsa një sistem bëhet më i madh, bëhet në mënyrë eksponenciale më e komplikuar për të kryer llogaritjet rreth tij. Sipas punës së Asenjo-Garcia dhe Masson, parashikimi i superrrezatimit zbret në vetëm dy fotone. Nëse fotoni i parë i emetuar nga grupi nuk përshpejton emetimin e të dytit, nuk do të ndodhë një shpërthim. Faktori përcaktues është distanca midis atomeve, e cila ndryshon nga mënyra se si janë rregulluar. Për shembull, një grup prej 40×40 atomesh do të shfaqë një shpërthim nëse ato janë brenda 0.8 të një gjatësi vale nga njëra-tjetra.
Sipas Masson, kjo është një distancë e arritshme në organizimet eksperimentale moderne. Megjithëse nuk mund të plotësojë ende detaje në lidhje me forcën ose kohëzgjatjen e shpërthimit nëse grupi është më i madh se 16 atome (ato llogaritje të sakta janë shumë të ndërlikuara, madje edhe në superkompjuterët e Kolumbisë), kuadri i thjeshtë parashikues i zhvilluar nga Masson dhe Asenjo-Garcia mund të tregoni nëse një grup i caktuar eksperimental do të prodhojë superrrezatim, që është një shenjë se atomet po sillen kolektivisht.
Në disa aplikacione – për shembull, në të ashtuquajturat lazer superrrezatues, të cilët janë më pak të ndjeshëm ndaj luhatjeve termike sesa ato konvencionale – atomet e sinkronizuara janë një veçori e dëshirueshme që studiuesit do të duan ta përfshijnë në pajisjet e tyre. Në aplikime të tjera, të tilla si përpjekjet për tkurrjen fizike të grupeve atomike për llogaritjen kuantike, sjellja kolektive mund të shkaktojë rezultate të paqëllimshme nëse nuk llogaritet siç duhet. “Ju nuk mund t’i shpëtoni natyrës kolektive të atomeve dhe mund të ndodhë në distanca më të mëdha se sa mund të prisni,” tha Masson.