نوشته دانشگاه ورشو، 30 نوامبر 20258 -تعامل اتمهای حفره نوری-تصویرسازی اتمهای قرار گرفته در یک حفره نوری، که با یکدیگر و همچنین با حالت نور در تعامل هستند. منبع: یائو وانگ از دانشگاه اموری
محققان کشف کردند که وقتی اتمها با نور در تعامل هستند و در هم تنیده باقی میمانند، انفجارهای انرژی قویتر و هماهنگتری را منتشر میکنند.این پیشرفت میتواند منجر به دستگاههای کوانتومی سریعتر و کارآمدتر و کنترل بهبود یافته بر سیستمهای نور-ماده شود.
سیستمهای نور-ماده، بسیاری از ساطعکنندهها (مثلاً اتمها) را به یک حالت نوری مشترک در داخل یک حفره میآورند. این حالت، الگوی پایداری از نور را بین آینههایی که بسیار نزدیک به هم قرار گرفتهاند، تشکیل میدهد و شرایطی را ایجاد میکند که به اتمها اجازه میدهد به صورت جمعی به شیوههایی عمل کنند که اتمهای منزوی نمیتوانند. یکی از بارزترین نمونهها، ابرتابش است، یک اثر کوانتومی هماهنگ که در آن گروه بزرگی از اتمها به طور کاملاً هماهنگ نور ساطع میکنند و انفجاری بسیار قویتر از حالت انفرادی ایجاد میکنند.
بسیاری از مطالعات نظری فرض میکنند که برهمکنش بین نور و ماده نیروی غالب در این سیستمها است. تحت این فرض، محققان اغلب کل گروه اتمها را به عنوان یک “دوقطبی غولپیکر” یکپارچه در نظر میگیرند که به طور مساوی به میدان حفره متصل است. این میدان، برهمکنشهایی را در کل مجموعه ایجاد میکند، گویی هر اتم به همه اتمهای دیگر متصل است.
دکتر خوآئو پدرو مندونسا، نویسنده اول مقاله، که دکترای خود را در دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به پایان رسانده و اکنون به عنوان محقق در مرکز فناوریهای جدید دانشگاه ورشو مشغول به کار است، میگوید: “فوتونها به عنوان واسطههایی عمل میکنند که هر ساطعکننده را به همه اتمهای دیگر در داخل حفره متصل میکنند.”
با این حال، در مواد واقعی، اتمهایی که نزدیک به هم قرار میگیرند، از طریق برهمکنشهای دوقطبی-دوقطبی کوتاهبرد که اغلب نادیده گرفته میشوند، بر یکدیگر نیز تأثیر میگذارند. محققان بررسی کردند که وقتی این اثرات ذاتی اتم-اتم در نظر گرفته میشوند، چه اتفاقی میافتد. یافتههای آنها نشان میدهد که این برهمکنشهای محلی میتوانند فرآیندهای دوربردتر ناشی از فوتونها را تضعیف یا تقویت کنند و مستقیماً بر وقوع ابرتابش تأثیر بگذارند. درک این رابطه برای تفسیر آزمایشها در شرایطی که نور و ماده به شدت بر یکدیگر تأثیر میگذارند، بسیار مهم است.
درهمتنیدگی نقش محوری در چگونگی واکنش نور و ماده به یکدیگر دارد و رفتار آنها را به روشهای ظریف اما مهمی به هم پیوند میدهد. با وجود این، بسیاری از ابزارهای تحلیلی و عددی که به طور گسترده استفاده میشوند، نور و ماده را طوری در نظر میگیرند که گویی از هم جدا هستند، که این پیوند را از تصویر حذف میکند.
نویسندگان توضیح میدهند: “مدلهای نیمهکلاسیک مسئله کوانتومی را تا حد زیادی ساده میکنند، اما به قیمت از دست دادن اطلاعات حیاتی. آنها به طور مؤثر درهمتنیدگی احتمالی بین فوتونها و اتمها را نادیده میگیرند و ما دریافتیم که در برخی موارد این تقریب خوبی نیست.”
برای پرداختن به این شکاف، تیم یک روش محاسباتی توسعه داد که به صراحت شامل درهمتنیدگی میشود. این رویکرد، همبستگیهای درون گروه اتمی و بین اتمها و فوتونها را ثبت میکند. نتایج نشان میدهد که برهمکنشهای محلی بین ساطعکنندههای نزدیک میتواند آستانه مورد نیاز برای ابرتابش را کاهش دهد. آنها همچنین یک حالت منظم نادیده گرفته شده را نشان میدهند که ویژگیهای ابرتابش را نشان میدهد. در مجموع، این کار نشان میدهد که گنجاندن درهمتنیدگی برای شناسایی کامل حالتهای ممکن که میتوانند در سیستمهای نور-ماده پدیدار شوند، ضروری است.
فراتر از علاقه نظری، پلتفرمهای نور-ماده مبتنی بر حفره، محور چندین فناوری کوانتومی در حال توسعه هستند. یک نمونه برجسته، باتریهای کوانتومی هستند که انتظار میرود با بهرهگیری از رفتار کوانتومی جمعی، سریعتر و کارآمدتر شارژ و دشارژ شوند. دینامیک ابرتابش میتواند هر دو فرآیند را سرعت بخشد و به طور بالقوه عملکرد کلی انتقال انرژی را افزایش دهد.
این مطالعه توضیح میدهد که چگونه برهمکنشهای اتمی کوتاهبرد این رفتارها را شکل میدهند. با تغییر شرایط میکروسکوپی که از ابرتابش پشتیبانی میکنند، این برهمکنشها به عنوان پارامترهای قابل تنظیم برای بهینهسازی شارژ و جریان انرژی در مواد و حفرههای واقعی عمل میکنند.
وقتی درهمتنیدگی نور-ماده را در مدل نگه دارید، میتوانید پیشبینی کنید که چه زمانی یک دستگاه به سرعت شارژ میشود و چه زمانی نمیشود. این امر یک اثر چندجسمی را به یک قانون طراحی عملی تبدیل میکند.» این گفتهی ژوآئو پدرو مندونسا است. کنترل مشابه بر همبستگیهای نور-ماده برای سایر پلتفرمها، از جمله شبکههای کوانتومی و حسگرهای دقیق، نیز مرتبط است.
این پروژه از طریق همکاری نزدیک چندین موسسه پدیدار شد. ژوآئو پدرو مندونسا چندین بازدید تحقیقاتی از ایالات متحده را با حمایت دانشگاه ورشو به پایان رساند. «ابتکار عمل تعالی – تحقیقات دانشگاه»
برنامه «دانشگاه» (IDUB) و آژانس ملی تبادلات دانشگاهی لهستان (NAWA). محققان تأکید میکنند که همکاری نقش کلیدی در دستیابی به این نتایج داشته است. این تیم خاطرنشان میکند: «این نمونهای عالی از چگونگی تحرک و همکاری بینالمللی است که میتواند در را به سوی پیشرفتهای بزرگ بگشاید.»
