Teoretisk fysiker Farokh Mivehvar har undersökt interaktionen mellan två samlingar av atomer som avger ljus inuti en kvanthålighet - en optisk anordning som består av två högkvalitativa, små speglar vända mot varandra som begränsar ljuset inom ett litet område under en längre tid. Modellen och förutsägelserna kan implementeras och observeras i toppmoderna experiment med kavitet/vågledare-kvantelektrodynamik och kan ha tillämpningar i den nya generationen av så kallade superstrålningslasrar.
Superradiance är ett av de mest överraskande och slående fenomenen inom kvantoptik. Det kan dock intuitivt förstås genom att föreställa sig en atom som en liten antenn som kan avge ljus (eller mer tekniskt, elektromagnetisk strålning) under lämpliga förhållanden.
"Föreställ dig nu att det finns en samling N-atomer. När dessa N-atomer är belägna långt från varandra och termiskt exciterade, strålar de oberoende av varandra så att intensiteten av det utsända ljuset är proportionell mot antalet atomer, N ," förklarar Farokh Mivehvar från Institutionen för teoretisk fysik vid universitetet i Innsbruck.
Men om dessa atomer är placerade mycket nära, börjar atomantennerna att prata med varandra och följaktligen synkroniseras med varandra, och avger därför ljus vars intensitet är kvadraten på antalet atomer.
"Man kan föreställa sig den här situationen som att atomerna bildar en enda gigantisk antenn som sänder ut ljus mer effektivt", säger Farokh Mivehvar. "Som ett resultat avger atomerna sin energi N gånger snabbare än oberoende atomer." Det är denna effekt som kallas superradiance.
I hans senaste arbete, publicerat i Physical Review Letters , Farokh Mivehvar har teoretiskt sett två samlingar av atomer, som var och en innehåller ett antal atomer (N1 och N2 ), inuti ett kvanthålrum. I varje ensemble är atomerna placerade mycket nära varandra och kan avge ljus överstrålning.
"Det är dock inte självklart a priori hur dessa två jätteantenner som är associerade med de två atomensemblerna kan avge ljus samtidigt", säger Mivehvar. Detta visar sig vara icke-trivialt. "Särskilt hittar vi två distinkta sätt som de två jätteantennerna kan avge ljus."
På det första sättet samarbetar de två gigantiska antennerna med varandra och bildar en enda superjätteantenn som sänder ut ljus överstrålning ännu mer. Men på det andra sättet konkurrerar de två gigantiska antennerna med varandra på ett destruktivt sätt, vilket undertrycker superstrålningsljusemissionen.
I synnerhet när de två ensemblerna har samma antal atomer undertrycks strålningsljusemissionen helt. "Dessutom hittar vi också fall där de två jätteantennerna sänder ut ljus som är en överlagring av de två typerna som nämnts tidigare och har en oscillerande karaktär", säger Farokh Mivehvar.
Modellen och förutsägelser kan implementeras och observeras i state-of-the-art experiment med kavitet/vågledare-kvantelektrodynamik. Fynden kan även ha tillämpningar i den nya generationen av så kallade superstrålningslasrar.
Mer information: Farokh Mivehvar, Konventionella och okonventionella Dicke-modeller:Multistabilities and Nonequilibrium Dynamics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.073602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.05686
Tillhandahålls av University of Innsbruck
