Átomos entrelazados logran potenciar la emisión de luz en nuevos estudios

Investigadores de la Universidad de Varsovia, el Centro de Nuevas Tecnologías de la misma universidad y Emory University en Atlanta, Estados Unidos, exploraron cómo los átomos se influyen mutuamente al interactuar con la luz. Su estudio, publicado en Physical Review Letters, amplió los modelos existentes sobre este fenómeno. Al demostrar que las interacciones directas entre átomos pueden potenciar un estallido colectivo de luz conocido como superradiancia, el equipo abrió nuevas posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas.

En sistemas de luz y materia, muchos emisores (como los átomos) comparten el mismo modo óptico dentro de una cavidad. Este modo representa un patrón de luz confinado entre espejos, 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, creando un brillo mucho mayor que la suma de sus emisiones individuales.

La mayoría de los estudios anteriores sobre superradiancia asumieron que el acoplamiento luz-materia dominaba, modelando todo el grupo atómico como un gran dipolo gigante conectado al campo electromagnético de la cavidad. "Los fotones actúan como mediadores que acoplan cada emisor a todos los demás dentro de la cavidad", explicó Dr. João Pedro Mendonça, primer autor del estudio, quien obtuvo su doctorado en la Universidad de Varsovia y ahora investiga en su Centro de Nuevas Tecnologías. Sin embargo, en materiales reales, los átomos cercanos también interactúan a través de fuerzas dipolo-dipolo de corto alcance, que a menudo se pasan por alto. El nuevo estudio examinó qué sucede cuando se consideran estas interacciones intrínsecas entre átomos. Los hallazgos mostraron que tales interacciones pueden competir o reforzar el acoplamiento mediado por fotones responsable de la superradiancia. Comprender este equilibrio es vital para interpretar experimentos donde la luz y la materia influyen fuertemente entre sí.

El papel del entrelazamiento en las interacciones luz-materia

En el corazón de este comportamiento se encuentra el entrelazamiento cuántico, la profunda conexión entre partículas que comparten estados cuánticos. Sin embargo, muchos métodos teóricos comunes tratan la luz y la materia como entidades separadas, borrando este vínculo crucial. "Los modelos semiclasicos simplifican en gran medida el problema cuántico, pero a costa de perder información crucial; efectivamente ignoran el posible entrelazamiento entre fotones y átomos, y descubrimos que en algunos casos esto no es una buena aproximación", señalaron los autores.

Para abordar esto, el equipo desarrolló un método computacional que mantiene el entrelazamiento representado explícitamente, permitiéndoles rastrear correlaciones tanto dentro como entre los subsistemas atómicos y fotónicos. Sus resultados mostraron que las interacciones directas entre átomos vecinos pueden reducir el umbral para la superradiancia e incluso revelar una fase ordenada previamente desconocida que comparte sus propiedades clave. En general, el trabajo demuestra que incluir el entrelazamiento es esencial para describir con precisión toda la gama de comportamientos luz-materia.

Implicaciones para tecnologías cuánticas

Más allá de profundizar en la comprensión fundamental, este descubrimiento tiene una importancia práctica para las futuras tecnologías cuánticas. Los sistemas de luz-materia basados en cavidades son centrales para muchos dispositivos emergentes, incluidas las baterías cuánticas, unidades conceptuales de almacenamiento de energía que podrían cargar y descargar mucho más rápido al aprovechar los efectos cuánticos colectivos. La superradiancia puede acelerar ambos procesos, mejorando 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 entre átomos, los científicos pueden sintonizar las condiciones necesarias para la superradiancia y controlar cómo se mueve la energía a través del sistema. "Una vez que mantienes el entrelazamiento luz-materia en el modelo, puedes predecir cuándo un dispositivo se cargará rápidamente y cuándo no. Eso convierte un efecto de muchos cuerpos en una regla de diseño práctica", afirmó João Pedro Mendonça. Principios similares también podrían avanzar en redes de comunicación cuántica y sensores de alta precisión.

La investigación surgió de una colaboración internacional que reunió la experiencia de varias instituciones. João Pedro Mendonça realizó múltiples estancias de investigación en Estados Unidos, apoyado por el programa de Iniciativa de Excelencia - Universidad de Investigación (IDUB) de la Universidad de Varsovia y la Agencia Nacional de Intercambio Académico de Polonia (NAWA). Los investigadores enfatizan que la colaboración y la movilidad fueron clave para su éxito. "Este es un gran ejemplo de cómo la movilidad y la colaboración internacional pueden abrir la puerta a avances", concluyó el equipo.

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