El efecto se pronosticó teóricamente hace décadas, pero es muy difícil proporcionar evidencia experimental de ello: "Superradiancia" es el fenómeno de un átomo que emite energía en forma de luz y causa una gran cantidad de otros átomos ensu proximidad inmediata para emitir energía también al mismo tiempo. Esto crea un destello de luz corto e intenso.
Hasta ahora, este fenómeno solo podía estudiarse con átomos libres y con el uso de simetrías especiales. Ahora, en TU Wien Viena, se midió en un sistema de estado sólido. El equipo utilizó átomos de nitrógeno,integrado en pequeños diamantes que pueden combinarse con radiación de microondas. Los resultados ya se han publicado en la revista Física de la naturaleza .
Un destello brillante de luz cuántica
De acuerdo con las leyes de la física cuántica, los átomos pueden estar en diferentes estados ". Cuando el átomo absorbe energía, cambia a un estado llamado excitado. Cuando regresa a un estado de energía más bajo, la energía se libera nuevamente enla forma de un fotón. Esto generalmente ocurre de forma aleatoria, en puntos de tiempo completamente impredecibles ", dice Johannes Majer, líder del grupo de investigación en el Instituto de Física Atómica y Subatómica TU Wien. Sin embargo, si varios átomos se encuentran cerca uno del otro, puede producirse un interesante efecto cuántico: uno de los átomos emite un fotón de forma espontánea y aleatoria, lo que afecta a todos los demás átomos excitados en su vecindad. Muchos de ellos liberan su exceso de energía en el mismo momento, produciendo un intenso destello de luz cuánticaEste fenómeno se llama "superradiancia".
"Desafortunadamente, este efecto no puede observarse directamente con átomos ordinarios", dice Andreas Angerer, primer autor del estudio. "La súper radiancia solo es posible si coloca todos los átomos en un área que es significativamente más pequeña que la longitud de onda defotones ". Así que tendrías que enfocar los átomos a menos de 100 nanómetros, y luego, las interacciones entre los átomos serían tan fuertes que el efecto ya no sería posible.
Defectos en la red de diamantes
Una solución a este problema es utilizar un sistema cuántico que Majer y su equipo han estado investigando durante años: pequeños defectos integrados en los diamantes. Mientras que los diamantes ordinarios consisten en una red regular de átomos de carbono, los defectos de la red se han incorporado deliberadamente en los diamantesen el laboratorio de Majer. En ciertos puntos, en lugar de un átomo de carbono, hay un átomo de nitrógeno, y el punto adyacente en la red de diamantes está desocupado.
Junichi Isoya y su equipo de la Universidad de Tsukuba fabricaron estos diamantes especiales con defectos de celosía en Japón. Han logrado producir la mayor concentración mundial de estos defectos deseados sin causar ningún otro daño. La base teórica del efecto fuedesarrollado por Kae Nemoto Instituto Nacional de Informática y William Munro NTT Basic Research Laboratories en Tokio, Japón.
Al igual que los átomos normales, estos defectos de diamante también se pueden cambiar a un estado excitado, pero esto se logra con fotones en el rango de microondas, con una longitud de onda muy grande ". Nuestro sistema tiene la ventaja decisiva de que podemos trabajar con electromagnéticosradiación que tiene una longitud de onda de varios centímetros, por lo que no es problema concentrar los sitios de defectos individuales dentro del radio de una longitud de onda ", explica Andreas Angerer.
Cuando muchos defectos de diamante se cambian a un estado excitado, generalmente pueden pasar horas hasta que todos vuelvan al estado de menor energía. Sin embargo, debido al efecto de superradiancia, esto ocurre dentro de aproximadamente 100 nanosegundos. El primer fotón quese envía espontáneamente, lo que hace que todos los otros sitios de defectos emitan también fotones.
Similar a los láseres
Superradiance se basa en el mismo principio básico que el láser: en ambos casos hay una emisión estimulada de fotones, activada por un fotón que golpea átomos excitados energéticamente. Sin embargo, estos son dos fenómenos muy diferentes: en el láser, un permanentese necesita el fondo de muchos fotones, estimulando constantemente nuevos átomos. En la superradiancia, un solo fotón dispara un destello de luz por sí mismo.
"En cierto sentido, la superradiancia es el efecto más interesante, desde el punto de vista de la física cuántica", dice Johannes Majer. "Hoy en día, se estudian muchos efectos cuánticos novedosos, en los que el enredo de muchas partículas juega un papel importante. Superradianciaes uno de ellos. Espero que esto conduzca a algo nuevo, que podríamos llamar Quantum Technology 2.0 en las próximas décadas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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