کشف امواج ماده فوق سرد، پدیده‌ای نوین از تابش‌های جمعی را آشکار کرده است که یکی از معماهای چند دهه‌ای در اپتیک کوانتومی محسوب می‌شود. این مطالعه، اثرات جدیدی از گسیل خودبه‌خودی جمعی را نشان داده و به درک عمیق‌تر شبکه‌های کوانتومی راه دور کمک می‌کند، در حالی که فناوری‌های پیشرفته علوم کوانتومی را نیز ارتقا می‌بخشد.
کشفی پیشگامانه در امواج ماده فوق سرد
یک مطالعه‌ی انقلابی، پدیده‌ای جدید از تابش‌های جمعی را کشف کرده است. این کشف، معمای ۷۰ ساله‌ی اپتیک کوانتومی را حل می‌کند. محققان با استفاده از اتم‌های فوق سرد به عنوان گسیل‌کننده‌های کوانتومی مصنوعی، رفتارهای جدیدی را مشاهده کردند. این رفتارها، مربوط به گسیل خودبه‌خودی جمعی هستند و پیش از این دیده نشده بودند. این کشف، نقطه‌ی عطفی در فیزیک کوانتومی است.
تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور دومینیک اشنبل از دانشگاه استونی بروک، از آرایه‌ای از اتم‌های مصنوعی استفاده کرد. هدف آن‌ها بررسی تعامل بین فوق‌تابش و فروتابش بود. یافته‌های آن‌ها در Nature Physics و Physical Review Research منتشر شده است. این یافته‌ها، اهمیت زیادی برای پیشرفت فناوری‌هایی مانند شبکه‌های ارتباطات کوانتومی و علوم اطلاعات کوانتومی دارند.
گسیل خودبه‌خودی چیست؟
گسیل خودبه‌خودی (Spontaneous Emission) زمانی رخ می‌دهد که یک اتم برانگیخته، به سطح انرژی پایین‌تر می‌رود. در این فرآیند، اتم یک فوتون منتشر می‌کند. در سال ۱۹۵۴، فیزیکدان پرینستون، آر. اچ. دایک، پیشنهاد داد که در حضور یک اتم دوم، سیستم رفتاری جمعی نشان می‌دهد. این رفتار جمعی، دو نتیجه‌ی متفاوت دارد:
– فوق تابش (Superradiance): اتم‌ها هم‌فاز تابش می‌کنند و گسیل تقویت می‌شود.
– فروتابش (Subradiance): اتم‌ها ناهم‌فاز تابش می‌کنند و گسیل تضعیف می‌شود.
وقتی چندین اتم درگیر باشند، این تعاملات پیچیده‌تر می‌شوند. این پیچیدگی، فرصت‌هایی برای مطالعه‌ی دینامیک کوانتومی ناشناخته ایجاد می‌کند.
بهره‌گیری از اتم‌های فوق سرد برای دقت بیشتر
در سیستم‌های سنتی، فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند. اما در این مطالعه، از اتم‌های فوق سرد برای انتشار امواج ماده اتمی با حرکت آهسته استفاده شد. این رویکرد جدید، به تیم تحقیقاتی اجازه داد تا پدیده‌های تابشی جمعی را بررسی کنند. این بررسی، در رژیم‌هایی انجام شد که قبلاً با روش‌های مرسوم امکان‌پذیر نبود.
محققان با تغییر قدرت برهمکنش در آرایه‌های گسیل‌کننده‌ها، گسیل جهت‌دار را نشان دادند. آن‌ها همچنین تأثیر تأخیر بر دینامیک فوق‌تابش و فروتابش را آشکار کردند. این شرایط آزمایشگاهی به آن‌ها اجازه داد تا حالت‌های فروتابش را با دقت بسیار بالا آماده و کنترل کنند. آن‌ها حتی توانستند انتشارهای خودبه‌خودی را متوقف کنند تا تابش پنهان در آرایه‌های گسیل‌کننده را مطالعه کنند.
پیامدهایی برای فناوری‌های کوانتومی
یافته‌های تیم اشنبل، چالش‌های مهمی را در علوم اطلاعات کوانتومی پاسخ می‌دهد. برای مثال، شبکه‌های کوانتومی نیاز به کنترل دقیق انتشار فوتون‌ها و برهم‌کنش‌های آن‌ها در فواصل طولانی دارند. امواج ماده‌ی منتشر شده در این مطالعه، میلیاردها بار کندتر از فوتون‌ها هستند. این امواج، بستری منحصربه‌فرد برای بررسی دقیق این برهم‌کنش‌ها فراهم می‌کنند.
راه حل‌های نظری برای سناریوهای پیچیده نیز به دست آمد. این سناریوها شامل گسیل‌کننده‌ها و برانگیختگی‌های متعدد هستند. آلفونسو لانوزا، نویسنده‌ی همکار، این فرآیند پیچیده را به “بازی گرفتن و رها کردن” تشبیه کرد. در این بازی، فوتون‌ها به طور پویا با اتم‌ها برهمکنش می‌کنند و رفتارهای غیرقابل پیش‌بینی ایجاد می‌شود. این یافته‌ها می‌توانند راه را برای اکتشافات جدید در فرآیندهای واپاشی اتمی جمعی هموار کنند.
آینده‌ای امیدوارکننده برای علم کوانتوم
این مطالعه، امواج ماده‌ی فوق سرد را به عنوان ابزاری کارآمد معرفی می‌کند. این ابزار برای کاوش اپتیک کوانتومی چند بدنه در سیستم‌های توسعه‌یافته مناسب است. این تحقیق با نشان دادن کنترل دقیق بر حالت‌های فروتابش و دینامیک واپاشی جمعی، زمینه را برای پیشرفت‌های آینده در ارتباطات و محاسبات کوانتومی فراهم می‌کند. همانطور که اشنبل می‌گوید: “نتایج ما دریچه‌ای جدید برای مطالعه‌ی اپتیک کوانتومی چند بدنه به روش‌های کاملاً نوین باز می‌کند.”
با حمایت بنیاد ملی علوم و مرکز پردازش کوانتومی توزیع شده‌ی استونی بروک، این کار پیشگامانه، توانایی تحقیقات میان‌رشته‌ای را در کشف اسرار پدیده‌های کوانتومی نشان می‌دهد.
منابع
- “Super- and subradiant dynamics of quantum emitters mediated by atomic matter waves” نوشته‌ی یانگشین کیم، آلفونسو لانوزا و دومینیک اشنبل. منتشر شده در Nature Physics، ۱۸ نوامبر ۲۰۲۴. DOI: 10.1038/s41567-024-02676-w
- “Exact solution for the collective non-Markovian decay of two fully excited quantum emitters” نوشته‌ی آلفونسو لانوزا و دومینیک اشنبل. منتشر شده در Physical Review Research، ۲۱ آگوست ۲۰۲۴. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033196
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: scitechdaily
