Это усиленное излучение света до того, как все атомы достигнут основного состояния, известно как сверхизлучение. Интересно, что если использовать внешний лазер для умеренного возбуждения атомов внутри полости, то поглощение света атомами и коллективное излучение могут уравновесить друг друга, позволяя атомам перейти в устойчивое состояние с конечным числом возбуждений.

Однако выше определенного уровня энергии лазера природа устойчивого состояния резко меняется, поскольку атомы внутри полости не могут коллективно излучать свет достаточно быстро, чтобы уравновесить входящий свет. В результате атомы продолжают излучать и поглощать фотоны, не достигая стабильного, устойчивого состояния. Хотя это изменение в устойчивом поведении было теоретически предсказано несколько десятилетий назад, оно до сих пор не наблюдалось экспериментально.

В недавнем исследовании, проведенном в Лаборатории Шарля Фабри и Институте оптики в Париже, изучалась совокупность атомов в свободном пространстве, образующих вытянутое, карандашеобразное облако, и сообщалось о возможности наблюдения этого желаемого фазового перехода. Однако результаты этого исследования озадачили других экспериментаторов, поскольку атомам в свободном пространстве нелегко синхронизироваться.

Чтобы лучше понять эти результаты, сотрудник JILA и NIST Ана Мария Рей и ее теоретическая группа сотрудничали с международной группой экспериментаторов. Теоретики обнаружили, что атомы в свободном пространстве могут лишь частично синхронизировать свое излучение, что позволяет предположить, что в эксперименте в свободном пространстве не наблюдался фазовый переход сверхизлучения.

Результаты опубликованы в журнале PRX Quantum.

Хотя наше текущее моделирование смогло воспроизвести экспериментальные данные и объяснило, почему полная синхронизация не может произойти в текущих экспериментальных условиях, остается открытым вопрос, может ли фазовый переход произойти в других условиях и при более высоких плотностях, где наши теоретические методы не работают и вместо этого требуется настоящее квантовое описание, — объясняет Рей.

От эксперимента к теории

В физике решение сложных проблем часто требует объединения усилий теоретиков и экспериментаторов. Теоретики разрабатывают математические модели и симуляции, чтобы предсказать, как должны вести себя системы. Экспериментаторы, напротив, проводят эксперименты, чтобы проверить и опровергнуть эти предсказания. Такое сотрудничество помогает преодолеть разрыв между абстрактными идеями и наблюдаемыми явлениями.

Один из главных вопросов, на которые люди пытаются ответить, — возможно ли создать запутанные состояния в различных атомных системах, — объясняет Санаа Агарвал, аспирант из группы Рея и первый автор статьи.

В системе с полостью это возможно благодаря коллективным взаимодействиям «все ко всем» [атомы взаимодействуют один к одному], но в свободном пространстве это еще предстоит выяснить.

Система полостей может быть тонко настроена, чтобы привести атомы в определенные квантовые состояния. В отличие от этого, системы в свободном пространстве менее контролируемы.

В свободном пространстве есть много эффектов, на которые нужно обратить внимание, например, частота, вызванная взаимодействием, — говорит Агарвал.

Кроме того, излучение происходит во всех возможных направлениях, а не только преимущественно в полости системы.

Ожидается, что эти эффекты изменят физику системы, поэтому мы и начали ее изучать, и действительно, обнаружили, что она совершенно другая».

Моделирование системы в свободном пространстве

Специфические условия эксперимента в свободном пространстве поставили вопрос о том, является ли наблюдаемое поведение действительно сверхизлучающим или случайным.

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи провели серию теоретических симуляций с использованием модели, которая учитывала каждый атом как диполь, поглощающий и испускающий фотоны от лазера и свет, излучаемый другими атомами.

Это была интересная задача, поскольку в полости число доступных состояний увеличивается линейно, а в свободном пространстве оно может расти экспоненциально с увеличением размера системы, — рассказывает Рей.

Во многих случаях взаимодействие может быть достаточно слабым, чтобы можно было применять упрощенные методы лечения, но изначально было неясно, будет ли это так в данном эксперименте.

Агарвал добавляет:

Мы рассмотрели микроскопическую модель, в которой каждый атом действует как диполь, и использовали ее для изучения эмерджентных свойств всего атомного облака. Лазерный луч представляет собой плоскую волну, отпечатывающую на атомах специфическую фазовую картину, которая имеет решающее значение для определения того, как атомы взаимодействуют.

Исследователи смоделировали различные условия, включая изменение мощности лазера и плотности атомов, чтобы увидеть, как эти факторы влияют на поведение системы.

Наше моделирование показало, что для воспроизведения физики достаточно «среднеполевого приближения», которое значительно снижает сложность, рассматривая атомы как классические магниты, — отмечает Рей.

Эта модель была проверена с помощью более сложных подходов, чтобы обеспечить согласованность результатов.

Когда теория согласуется с экспериментом

Когда мы сравнивали теорию с данными, мы не были уверены, что они совпадут, — говорит Агарвал.

Некоторые данные было довольно легко сравнивать, потому что в экспериментальном аппарате было меньше неясностей. Поэтому, когда наши выводы совпали с теми результатами, это дало нам уверенность в том, что то, что мы делаем, имеет смысл.

Проведя моделирование, исследователи пришли к выводу, что хотя эксперимент в свободном пространстве согласуется с моделью полости, в узком диапазоне интенсивности лазера и плотности атомов эти две системы в целом ведут себя совершенно по-разному. При увеличении мощности лазера выше определенного порога коллективные эффекты, которые приводили к сверхизлучению в полости, исчезали в свободном пространстве, и атомы вели себя скорее как независимые излучатели, а не как скоординированная группа.

Дальнейшее развитие фундаментальной физики

Эти результаты открывают новые направления исследований в квантовой физике и подтверждают ценность сотрудничества эксперимента и теории для лучшего понимания фундаментальной физики.

Хотя наше моделирование смогло воспроизвести экспериментальные наблюдения в режиме, когда система разбавлена и справедливо среднеполевое приближение, будет очень интересно изучить новые режимы, где наши текущие теоретические модели устаревают и требуются более совершенные методы, — добавляет Рей.

Наша группа будет искать способы улучшить наши расчеты и подготовиться к новым захватывающим измерениям.

Ранее ученые сделали вывод, что форма фотонов имеет важное значение.