Fizikçi Dominik Schneble başkanlığındaki bir araştırma ekibi, kuantum optiğinde 70 yıllık bir meseleyi aydınlatarak, işbirliğine dayalı ışıma süreçleri için yeni bir rejim belirledi.
Bir dizi sentetik atomda şimdiye kadar gözlemlenmemiş kolektif spontane emisyon fenomenleri hakkındaki keşifleri Nature Physics’te yayınlandı.
Spontane emisyon, uyarılmış bir atomun daha düşük enerjili bir duruma geçmesi ve tek bir foton olarak bir elektromanyetik radyasyon kuantumu yayması olayıdır. Uyarılmış tek bir atomun uyarılmış halde bulunma olasılığı, atom bozunup bir foton saldıkça zaman içinde üstel olarak sıfıra düşer.
1954 yılında Princeton’dan fizikçi R. H. Dicke, uyarılmamış ikinci bir atomun yakınına konulduğunda ne olacağını düşündü. Uyarılmış bir atomu bulma olasılığının beklenmedik bir şekilde sadece yarı yarıya azalacağını iddia etti. Uyarılmış sistemin iki eşzamanlı senaryosu vardır: biri atomların fazda olduğu ve bunun sonucunda emisyonun arttığı (superradiance olarak adlandırılır), diğeri ise faz dışında oldukları ve bunun sonucunda emisyonun olmadığı (subradiance olarak adlandırılır).
Her iki atom da ilk kez uyarıldığında, bozunma değişmez bir şekilde süper ışıma olur.
Schneble ve meslektaşları, yavaş atomik madde dalgaları üreterek bozunan sentetik kuantum yayıcı dizilerini gerçekleştirmek için tek boyutlu bir optik kafes konfigürasyonu içinde ultra soğuk atomlardan oluşan bir platform kullandılar. Bunun tersine, geleneksel süreçler ışık hızında yayılan fotonları serbest bırakır. Bu ayrım, daha önce benzeri görülmemiş rejimlerde kolektif ışıma olaylarıyla ilgilenmelerini sağladı.
Araştırmacılar, zayıf ve güçlü etkileşimli çok cisimli uyarım fazları sergileyen yayıcı dizileri oluşturup kontrol ederek yönlü kolektif emisyon oluşturdular ve geciktirme ile süper ve alt radyant dinamikler arasındaki ilişkiyi araştırdılar.
Dicke’nin kavramları kuantum bilgi bilimi ve teknolojisi (QIST) alanında büyük önem taşımaktadır. Stony Brook’un Dağıtılmış Kuantum İşleme Merkezi’nin (CDQP) bir üyesi olan Schneble, tek boyutlu dalga kılavuzlarına bağlı kuantum yayıcı dizilerinde süper ve alt ışıma kullanmak için önemli çabalar olduğunu belirtiyor.
Çalışmalarımızda alt ışıma durumlarını benzersiz bir hassasiyetle hazırlayabilir ve değiştirebiliriz. Spontane emisyonu engelleyebilir ve radyasyonun dizi içindeki yerini tespit edebiliriz. Schneble’ye göre bu, öncü bir gösteriyi temsil ediyor.
Yürütülen araştırma, kuantum optiğinin temel ilkelerine yeni bakış açıları sunuyor.
Schneble, Dicke’nin teorisinde fotonların aktif bir rol üstlenmediğini, çünkü bozunma zaman ölçeğinde yakın yayıcılar arasında hızla hareket ettiklerini açıklıyor. Bununla birlikte, çürüyen bir kaynaktan yayılan güdümlü bir fotonun bir sonraki yayıcıya ulaşması için uzun bir süre gerekebileceği uzun mesafeli bir kuantum ağ kanalında olduğu gibi bazı koşullar bu varsayımı geçersiz kılabilir. Araştırmacılar, sistemlerinde üretilen madde dalgalarının fotonlardan milyarlarca kat daha yavaş olması sayesinde bu keşfedilmemiş bölgeye başarıyla eriştiler.
“Ortak yazar Kim, tek bir uyarımla bir süper ışıma durumundan kolektif bozunmanın gelişmesi için zaman gerektiğini belirtiyor.” “Yalnızca bitişik yayıcılar iletişim kurduktan sonra gerçekleşir.”
Ekip, bir yayıcı sistemindeki yavaş radyasyonun izlenmesinin zorlu bir teorik zorluk teşkil ettiğini vurguluyor.
Ekibin bir başka bir üyesi Lanuza bu sorunu karmaşık bir yakala ve bırak oyununa benzetiyor: “Bir atom tarafından yayılan bir foton kaçmadan önce birden fazla kez yakalanabilir, hatta atoma bağlanabilir.”
Çok sayıda atom ve foton etkileşime girdikçe oyunun kuralları da karmaşıklaşıyor; atomların fotonları değiştirmesi, fotonların uyarılmış atomlardan yansıması ve fotonların atomlar arasında hapsolması bu süreçlerden sadece birkaçı.
Fotonlar ve atomlar arasındaki karmaşık etkileşime rağmen, en fazla iki uyarıma sahip iki yayıcı ve keyfi vakum kuplajı içeren senaryo için başarılı matematiksel çözümler türetmiştir. Araştırmanın bu yönü, sonraki testlerde daha karmaşık veya öngörülemeyen kolektif atomik bozunma olaylarının ortaya çıkmasına neden olabilir.
Özetle Schneble, kolektif ışıma dinamiğine ilişkin bulgularımızın, ultra soğuk madde dalgalarını, uzamsal olarak genişletilmiş ve organize sistemlerde çok cisimli kuantum optiğinin araştırılması için çok yönlü bir araç olarak konumlandırdığını belirtti.
Kaynak: phys.org/news
