Physiker werfen neues Licht auf ein altes quantenoptisches Problem über kollektives Verhalten

Wenn Atome miteinander interagieren, verhalten sie sich als Ganzes und nicht als einzelne Einheiten. Dies kann zu synchronisierten Reaktionen auf Eingaben führen, ein Phänomen, das sich, wenn es richtig verstanden und kontrolliert wird, als nützlich erweisen kann, um Lichtquellen zu entwickeln, Sensoren zu bauen, die ultrapräzise Messungen durchführen können, und die Dissipation in Quantencomputern zu verstehen.

Aber können Sie sagen, wann Atome in einer Gruppe synchronisiert sind? In neuer Arbeit in Naturkommunikationzeigen die kolumbianische Physikerin Ana Asenjo-Garcia und ihr Postdoc Stuart Masson, wie ein als Superradiant Burst bezeichnetes Phänomen kollektives Verhalten zwischen Anordnungen von Atomen anzeigen kann, und lösen damit ein jahrzehntealtes Problem auf dem Gebiet der Quantenoptik.

Bestrahlt man ein Atom mit einem Laser, fügt man Energie hinzu und versetzt es in einen sogenannten „aufgeregten“ Zustand. Schließlich wird es auf sein Grundenergieniveau zurückfallen und die zusätzliche Energie in Form eines Lichtteilchens, das als Photon bezeichnet wird, freisetzen. Bereits in den 1950er Jahren zeigte der Physiker Robert Dicke, dass die Intensität des Lichtpulses eines einzelnen angeregten Atoms, das zu zufälligen Zeiten Photonen aussendet, sofort abnimmt. Der Puls einer Gruppe wird tatsächlich „superstrahlend“ sein, wobei die Intensität zunächst zunimmt, weil die Atome die meiste Energie in einem kurzen, hellen Lichtstoß abgeben.

Das Problem? In Dickes Theorie sind die Atome alle in einem einzigen Punkt enthalten – eine theoretische Möglichkeit, die in der Realität nicht existieren kann.

Jahrzehntelang diskutierten Forscher darüber, ob Atome, die in verschiedenen Anordnungen wie Linien oder einfachen Gittern angeordnet sind, Überstrahlung zeigen würden oder ob jede Entfernung dieses äußere Zeichen kollektiven Verhaltens sofort beseitigen würde. Das Potenzial ist nach den Berechnungen von Masson und Asenjo-Garcia immer vorhanden. „Egal, wie Sie Ihre Atome anordnen oder wie viele es sind, es wird immer einen Superradiant-Burst geben, wenn sie nahe genug beieinander sind“, sagte Masson.

Ihr Ansatz überwindet ein großes Problem der Quantenphysik: Je größer ein System wird, desto komplizierter wird es, Berechnungen darüber durchzuführen. Laut der Arbeit von Asenjo-Garcia und Masson läuft die Vorhersage von Superstrahlung auf nur zwei Photonen hinaus. Wenn das erste von der Gruppe emittierte Photon die Emission des zweiten nicht beschleunigt, erfolgt kein Burst. Ausschlaggebend ist der Abstand zwischen den Atomen, der je nach Anordnung variiert. Beispielsweise zeigt eine Anordnung von 40×40 Atomen einen Burst, wenn sie sich innerhalb von 0,8 Wellenlängen voneinander befinden.

Laut Masson ist das eine machbare Distanz in hochmodernen Versuchsaufbauten. Obwohl es noch keine Details über die Stärke oder Dauer des Ausbruchs ausfüllen kann, wenn das Array größer als 16 Atome ist (diese präzisen Berechnungen sind zu kompliziert, selbst auf Columbias Supercomputern), kann das einfache Vorhersage-Framework, das Masson und Asenjo-Garcia entwickelt haben, dies tun zeigen an, ob eine bestimmte experimentelle Anordnung Superstrahlung erzeugt, was ein Zeichen dafür ist, dass sich Atome kollektiv verhalten.

Bei einigen Anwendungen – zum Beispiel in sogenannten Superradiant-Lasern, die weniger empfindlich auf thermische Schwankungen reagieren als herkömmliche – sind synchronisierte Atome ein wünschenswertes Merkmal, das Forscher in ihre Geräte einbauen möchten. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. Versuchen, atomare Arrays für Quantencomputer physikalisch zu verkleinern, könnte kollektives Verhalten zu unbeabsichtigten Ergebnissen führen, wenn es nicht richtig berücksichtigt wird. „Sie können der kollektiven Natur von Atomen nicht entkommen, und sie kann in größeren Abständen auftreten, als Sie vielleicht erwarten“, sagte Masson.