Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia e da Universidade Emory (Atlanta, EUA) investigaram como os átomos afetam uns aos outros quando interagem com a luz. Sua pesquisa, publicada Carta de revisão físicaEste efeito se estende aos modelos existentes. Ao observar que as interações diretas entre átomos podem aumentar uma poderosa explosão coletiva de luz conhecida como superradiância, a equipe abre novas possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas avançadas.
Em sistemas de matéria leve, muitos emissores (por exemplo, átomos) compartilham o mesmo modo óptico dentro de uma cavidade. Este modo representa um padrão de luz confinado dentro do espelho, permitindo comportamentos coletivos que átomos isolados não podem exibir. Um exemplo importante é a superradiância, um efeito quântico no qual os átomos emitem luz em perfeita sincronização, produzindo uma luminosidade muito maior do que a soma das suas emissões individuais.
A maioria dos estudos anteriores de ultraradiância foram assumidos como dominados pelo acoplamento luz-matéria, modelando todo o grupo atômico como um grande “dipolo gigante” acoplado ao campo eletromagnético da cavidade. “Os fotões funcionam como mediadores para que cada par emita todos os outros dentro da cavidade”, explica o Dr. João Pedro Mendonça, primeiro autor do estudo, que obteve o seu doutoramento na Universidade de Varsóvia e agora desenvolve investigação no seu Centro de Novas Tecnologias. Em materiais reais, entretanto, átomos próximos também interagem por meio de forças dipolo-dipolo de curto alcance, que são frequentemente negligenciadas. O novo estudo examina o que acontece quando essas interações internas átomo-átomo são levadas em consideração. Os resultados mostram que tais interações podem competir ou fortalecer o acoplamento mediado por fótons responsável pela superradiância. Compreender este equilíbrio é essencial para interpretar experiências em que a luz e a matéria se influenciam fortemente.
Introdução ao emaranhamento nas interações luz-matéria
No cerne desse comportamento está o emaranhamento quântico, as conexões profundas entre partículas que compartilham estados quânticos. No entanto, muitas abordagens teóricas comuns tratam a luz e a matéria como entidades separadas, apagando esta importante ligação. “Os modelos semiclássicos simplificam muito o problema quântico, mas ao custo de perder informações importantes; eles efetivamente ignoram o possível emaranhamento entre fótons e átomos, e descobrimos que em alguns casos esta não é uma boa aproximação”, observam os autores.
Para resolver isso, a equipe desenvolveu um método computacional que representa claramente o emaranhamento, permitindo rastrear interações entre os subsistemas atômicos e fotônicos. Os seus resultados mostram que as interações diretas entre átomos vizinhos podem diminuir o limiar da superradiância e até revelar uma fase ordenada anteriormente desconhecida que partilha as suas propriedades principais. No geral, o trabalho mostra que incluir o emaranhamento é essencial para descrever com precisão toda a gama de comportamento fotofísico.
Implicações para a tecnologia quântica
Além de aprofundar a compreensão fundamental, a descoberta tem implicações práticas para futuras tecnologias quânticas. Os sistemas fotovoltaicos baseados em cavidades estão no centro de muitos dispositivos emergentes, incluindo baterias quânticas – unidades conceituais de armazenamento de energia que podem carregar e descarregar muito mais rapidamente, explorando efeitos quânticos coletivos. Superradiance pode acelerar ambos os processos, aumentando a eficiência geral.
As novas descobertas esclarecem como as interações atômicas microscópicas influenciam esses processos. Ao ajustar a força e a natureza das interações átomo-átomo, os cientistas podem garantir as condições necessárias para a superradiância e controlar como a energia se move através do sistema. “Depois de inserir a ótica no modelo, é possível prever quando um dispositivo irá carregar rapidamente e quando não. Isto transforma o efeito de muitos corpos numa regra prática de design”, disse João Pedro Mendonça. Princípios semelhantes também poderiam promover redes de comunicação quântica e sensores de alta precisão.
A pesquisa nasceu de uma parceria internacional que reuniu a expertise de diversas instituições. João Pedro Mendonça ocupou vários cargos de investigação nos Estados Unidos, apoiados pelo programa “Excellence Initiative – Research University” (IDUB) da Universidade de Varsóvia e pela Agência Nacional Polaca para o Intercâmbio Académico (NAWA). Os pesquisadores enfatizam que a colaboração e o dinamismo foram as chaves do seu sucesso. “Este é um grande exemplo de como a mobilidade e a cooperação internacionais podem abrir as portas ao sucesso”, concluiu a equipa.
