När atomer interagerar med varandra beter de sig som en helhet snarare än enskilda enheter. Det kan ge upphov till synkroniserade svar på insignaler, ett fenomen som, om det förstås och kontrolleras på rätt sätt, kan visa sig användbart för att utveckla ljuskällor, bygga sensorer som kan ta ultraexakta mätningar och förstå förlust i kvantdatorer.

Men kan du säga när atomer i en grupp synkroniseras? I nytt arbete i Nature Communications , Columbia-fysikern Ana Asenjo-Garcia och hennes postdoc Stuart Masson visar hur ett fenomen som kallas en superradiant burst kan indikera kollektivt beteende bland arrayer av atomer och lösa det som har varit ett årtionden gammalt problem för kvantoptikområdet.

Att lysa med en laser på en atom tillför energi och försätter den i vad som kallas ett "exciterat" tillstånd. Så småningom kommer det att sönderfalla tillbaka till sin baslinjeenerginivå och frigöra den extra energin i form av en ljuspartikel som kallas en foton. Redan på 1950-talet visade fysikern Robert Dicke att intensiteten av ljuspulsen som sänds ut från en enda exciterad atom, som avger fotoner vid slumpmässiga tidpunkter, omedelbart kommer att börja minska. Pulsen från en grupp kommer faktiskt att vara "superstrålande", med intensiteten som till en början ökar eftersom atomerna avger det mesta av energin i en kort, stark ljusskur.

Problemet? I Dickes teori är atomerna alla inneslutna i en enda punkt - en teoretisk möjlighet som inte kan existera i verkligheten.

I decennier diskuterade forskare om atomer fördelade på olika arrangemang, som linjer eller enkla rutnät, skulle uppvisa överstrålning, eller om något avstånd omedelbart skulle eliminera detta yttre tecken på kollektivt beteende. Enligt Masson och Asenjo-Garcias beräkningar finns potentialen alltid där. "Oavsett hur du ordnar dina atomer eller hur många det finns, kommer det alltid att finnas en superstrålning om de är tillräckligt nära varandra," sa Masson.

Deras tillvägagångssätt övervinner ett stort problem inom kvantfysiken:när ett system blir större blir det exponentiellt mer komplicerat att utföra beräkningar om det. Enligt Asenjo-Garcia och Massons arbete kommer förutsägelse av superstrålning allt att handla om bara två fotoner. Om den första fotonen som sänds ut från gruppen inte påskyndar emissionen av den andra, kommer en skur inte att uppstå. Den avgörande faktorn är avståndet mellan atomerna, som varierar beroende på hur de är ordnade. Till exempel kommer en grupp av 40x40 atomer att uppvisa en skur om de är inom 0,8 av en våglängd från varandra.

Enligt Masson är det ett uppnåeligt avstånd i toppmoderna experimentupplägg. Även om det ännu inte kan fylla i detaljer om styrkan eller varaktigheten av skuren om arrayen är större än 16 atomer (de här exakta beräkningarna är för komplicerade, även på Columbias superdatorer), kan det enkla prediktiva ramverket Masson och Asenjo-Garcia utvecklade ange om en given experimentell array kommer att producera superstrålning, vilket är ett tecken på att atomer beter sig kollektivt.

I vissa applikationer – till exempel i så kallade superstrålningslasrar, som är mindre känsliga för termiska fluktuationer än konventionella – är synkroniserade atomer en önskvärd egenskap som forskare kommer att vilja införliva i sina enheter. I andra applikationer, såsom försök att fysiskt krympa atomarrayer för kvantberäkning, kan kollektivt beteende orsaka oavsiktliga resultat om det inte beaktas ordentligt. "Du kan inte fly atomernas kollektiva natur, och det kan förekomma på avstånd som är större än du kan förvänta dig," sa Masson. + Utforska vidare

Överstrålning av en ensemble av kärnor exciterade av en fri elektronlaser