Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, el Centro de Nuevas Tecnologías de la Universidad de Varsovia y la Universidad Emory (Atlanta, EE.UU.) investigaron cómo los átomos se afectan entre sí cuando interactúan con la luz. Su investigación, publicada carta de revisión físicaEste efecto se extiende a los modelos existentes. Al observar que las interacciones directas entre átomos pueden potenciar un poderoso estallido colectivo de luz conocido como superradiancia, el equipo abre nuevas posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas.
En los sistemas de materia ligera, muchos emisores (p. ej., átomos) comparten el mismo modo óptico dentro de una cavidad. Este modo representa un patrón de luz confinado dentro del espejo, lo que permite comportamientos colectivos que los átomos aislados no pueden exhibir. Un ejemplo clave es la superradiancia, un efecto cuántico en el que los átomos emiten luz en perfecta sincronización, produciendo una luminosidad mucho mayor que la suma de sus emisiones individuales.
Se suponía que la mayoría de los estudios anteriores sobre ultrarradiancia estaban dominados por el acoplamiento luz-materia, modelando todo el grupo atómico como un gran “dipolo gigante” acoplado al campo electromagnético de la cavidad. “Los fotones actúan como mediadores para que cada par emita a todos los demás dentro de la cavidad”, explica el Dr. João Pedro Mendonça, primer autor del estudio, doctorado en la Universidad de Varsovia y actualmente investigador en su Centro de Nuevas Tecnologías. Sin embargo, en los materiales reales, los átomos cercanos también interactúan mediante fuerzas dipolo-dipolo de corto alcance, que a menudo se pasan por alto. El nuevo estudio examina lo que sucede cuando se tienen en cuenta estas interacciones internas átomo-átomo. Los resultados muestran que tales interacciones pueden competir o fortalecer el acoplamiento mediado por fotones responsable de la superradiancia. Comprender este equilibrio es esencial para interpretar experimentos en los que la luz y la materia se influyen fuertemente entre sí.
Introducción al entrelazamiento en interacciones luz-materia.
En el centro de este comportamiento está el entrelazamiento cuántico, las conexiones profundas entre partículas que comparten estados cuánticos. Sin embargo, muchos enfoques teóricos comunes tratan la luz y la materia como entidades separadas, borrando este importante vínculo. “Los modelos semiclásicos simplifican enormemente el problema cuántico, pero a costa de perder información importante; ignoran efectivamente el posible entrelazamiento entre fotones y átomos, y descubrimos que en algunos casos esta no es una buena aproximación”, señalan los autores.
Para abordar esto, el equipo desarrolló un método computacional que representa claramente el entrelazamiento, lo que les permite rastrear las interacciones entre los subsistemas atómico y fotónico. Sus resultados muestran que las interacciones directas entre átomos vecinos pueden reducir el umbral de superradiancia e incluso revelar una fase ordenada previamente desconocida que comparte sus propiedades clave. En general, el trabajo muestra que incluir el entrelazamiento es esencial para describir con precisión toda la gama de comportamiento fotofísico.
Implicaciones para la tecnología cuántica
Más allá de profundizar la comprensión fundamental, el descubrimiento tiene implicaciones prácticas para futuras tecnologías cuánticas. Los sistemas fotovoltaicos basados en cavidades son el núcleo de muchos dispositivos emergentes, incluidas las baterías cuánticas: unidades conceptuales de almacenamiento de energía que pueden cargarse y descargarse mucho más rápido aprovechando los efectos cuánticos colectivos. La superradiancia puede acelerar ambos procesos, aumentando la eficiencia general.
Los nuevos hallazgos aclaran cómo las interacciones atómicas microscópicas influyen en estos procesos. Al ajustar la fuerza y la naturaleza de las interacciones átomo-átomo, los científicos pueden asegurar las condiciones necesarias para la superradiancia y controlar cómo se mueve la energía a través del sistema. “Una vez que se inserta la óptica en el modelo, se puede predecir cuándo un dispositivo se cargará rápidamente y cuándo no. Esto convierte el efecto de muchos cuerpos en una regla de diseño práctica”, afirmó João Pedro Mendonça. Principios similares también podrían hacer avanzar las redes de comunicación cuántica y los sensores de alta precisión.
La investigación surgió de una asociación internacional que reunió la experiencia de varias instituciones. João Pedro Mendonça ha ocupado varios puestos de investigación en Estados Unidos, apoyados por el programa “Excellence Initiative – Research University” (IDUB) de la Universidad de Varsovia y la Agencia Nacional Polaca de Intercambio Académico (NAWA). Los investigadores destacan que la colaboración y el dinamismo fueron las claves de su éxito. “Este es un gran ejemplo de cómo la movilidad y la colaboración internacionales pueden abrir la puerta al éxito”, concluyó el equipo.
