Superradiancja to niezwykłe zjawisko, w którym grupa atomów wspólnie emituje światło, tworząc niezwykle intensywny impuls. Choć badana od dekad, brakowało dotąd spójnego matematycznego opisu jej dynamiki. Nowa praca naukowców z Instytutu Fizyki UMK, opublikowana w "Nature Communications", wypełnia tę lukę, dostarczając teoretyczne ramy uwzględniające wszystkie podstawowe procesy fizyczne.
Artykuł Revisiting superradiance dynamics from single diamond nanocrystals with a physically consistent model for fluorescence decay ukazał się w "Nature Communications", jednym z czołowych czasopism nauk przyrodniczych i będącym częścią "Nature Portfolio". Jego autorami są mgr Jakub Borkowski, dr Artur Czerwiński oraz dr hab. Piotr Kolenderski, prof. UMK z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki UMK (Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej).
Artykuł koncentruje się na superradiancji, nazywanej również nadpromienistością, czyli zbiorowym zjawisku oddziaływania materii ze światłem, zidentyfikowanym po raz pierwszy w 1954 roku.
To zjawisko, w którym grupa atomów emituje światło kolektywnie, w sposób skoordynowany, co prowadzi do impulsu o wysokim natężeniu. Mówiąc inaczej, grupa atomów zachowuje się jak jeden "superatom", który wyrzuca zgromadzoną energię w jednym, niezwykle silnym błysku. Zjawisko to odnosi się do świata kwantowego, w którym odkrywamy inne prawa rządzące zachowaniem niewielkich ilości materii lub światła – tłumaczy dr Artur Czerwiński. – Żeby lepiej to zrozumieć, można wyobrazić sobie błyskawicę na niebie w trakcie burzy. Cała energia wyładowania atmosferycznego jest wyzwalana w czasie jednego krótkiego impulsu, dokładnie jak w przypadku nadpromienistości. Inną analogię można dostrzec, patrząc na grupę kibiców na stadionie, którzy w sposób skoordynowany klaszczą i dopingują swoją drużynę, co zwykle wytwarza wiele hałasu.
- Aby doświadczyć nadpromienistości, należy na przykład wykorzystać impuls lasera do pobudzenia niewielkiej struktury atomowej w krysztale. Po ustaniu impulsu laserowego taka struktura rozbłyśnie z dużą jasnością, co właśnie nazywamy nadpromienistością. W roli takiego kryształu doskonale sprawdza się diament, którego sieć krystaliczna posiada unikalne własności pozwalające nie tylko obserwować superradiancję, ale także kontrolować powstające w ten sposób światło – dodaje dr Czerwiński.
Co istotne, poza swoim eksperymentalnym znaczeniem, superradiancja dotyka fundamentalnych zagadnień fizyki, w szczególności tego, jak fotony oddziałują z materią na poziomie kwantowym oraz jak w otwartych układach kwantowych pojawiają się efekty zbiorowe. Pomimo dziesięcioleci badań, literatura nie zawierała w pełni spójnego matematycznego opisu dynamiki fluorescencji superpromieniującej. Praca fizyków z UMK wypełnia tę lukę, dostarczając fizycznie spójne ramy teoretyczne, które poprawnie uwzględniają wszystkie podstawowe procesy.
Nasze badanie identyfikuje i koryguje także niespójności matematyczne we wcześniej opublikowanym modelu, który był szeroko cytowany w tej dziedzinie. Prowadziło to do niefizycznych przewidywań, takich jak ujemne liczby fotonów czy błędne zachowania długoterminowe. Zaproponowaliśmy poprawione równania, które dają wyniki zgodne zarówno z zasadami fizycznymi, jak i obserwacjami eksperymentalnymi – dodaje dr Czerwiński.
Otwarta nauka
Autorzy badań i artykułu postanowili udostępnić publicznie kod numeryczny, dzięki czemu każdy zainteresowany może samodzielnie przeprowadzić obliczenia i zweryfikować zaproponowany przez naszych fizyków model. Może to być także punkt wyjścia do dalszych i bardziej pogłębionych badań nad zjawiskiem nadpromienistości.
Wierzymy, że wyniki badań naukowych powinny być publikowane w taki sposób, aby niezależni badacze mogli powtórzyć wykonane procedury badawcze i potwierdzić prawidłowość danego odkrycia. Zagadnienie to związane jest z powszechnym w nauce pojęciem replikowalności, czyli zdolnością do odtwarzania badań naukowych przy użyciu tych samych metod i procedur, co powinno prowadzić do identycznych bądź bardzo zbliżonych wyników – tłumaczy dr Czerwiński. – Jesteśmy także otwarci na informację zwrotną ze strony środowiska naukowego na temat naszych badań i wniosków.
Badania podstawowe jako baza
Grupa badawcza Single Photon Applications Laboratory, do której należą mgr Jakub Borkowski, dr Artur Czerwiński oraz dr hab. Piotr Kolenderski, prof. UMK, skupia się na rozwoju kwantowych technologii optycznych, szczególnie komunikacji kwantowej, obliczeniach kwantowych oraz optycznych technologiach kosmicznych. Starają się zachować równowagę pomiędzy badaniami podstawowymi a projektami wdrożeniowymi, dlatego część zadań realizują poprzez Uniwersytet Mikołaja Kopernika, a inne poprzez firmę STARTOVA UMK, spółkę celową Uniwersytetu powołaną do wspierania transferu technologii ze świata nauki do gospodarki. Obecnie w spółce STARTOVA UMK prowadzą kilka projektów z zakresu technologii kosmicznych na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Jeden z nich dotyczy satelitarnej telemetrii optycznej, która może poprawić precyzję przyszłych systemów pozycjonowania i nawigacji, takich jak GPS. Realizują również projekty z zakresu satelitarnej kryptografii kwantowej, rozwijając metody komunikacji, których bezpieczeństwo oparte jest na prawach fizyki kwantowej. Prowadzą też pionierski na skalę Europy projekt ESA dotyczący satelitarnego internetu kwantowego, którego celem jest zaprojektowanie systemu satelitarnego zdolnego do realizacji protokołów kwantowych.
Nie zapominamy jednak o badaniach podstawowych, które mogą dostarczyć nowej wiedzy napędzającej przyszłe rozwiązania technologiczne. Dlatego interesują nas pytania fundamentalne dla fizyki, takie jak kwestie oddziaływań pomiędzy światłem a materią – mówi dr Czerwiński. – Ogólnie wiemy, że światło może pobudzać materię, wprowadzając atomy na wyższe poziomy energetyczne, które następnie oddają energię w formie światła, wracając do stanów pierwotnych. Im bardziej jednak wnikamy w szczegóły, tym więcej zawiłości się pojawia. Jednym ze szczególnych zjawisk wpisujących się w problematykę oddziaływań światło-materia jest właśnie nadpromienistość.
Dysponując pełnym matematycznym opisem mechanizmu rządzącego tym zjawiskiem, naukowcy są w stanie rozważać jego implikacje i potencjalne zastosowania. Silne, skoordynowane impulsy światła mogą być wykorzystane do przełamywania problemów związanych z szumami i stratami w sieciach światłowodowych. Inną potencjalną korzyścią wynikającą z nadpromienistości jest zwiększenie wydajności interfejsów światło-materia, które umożliwiają zamianę stanów kwantowych zakodowanych w świetle na stany w atomach lub jonach tworzących komputery kwantowe. Takie interfejsy są niezbędne do realizacji rozproszonych obliczeń kwantowych, nad którymi obecnie pracują badacze z UMK w ramach projektu dotyczącego internetu kwantowego.
– Ideą rozproszonych obliczeń jest połączenie dwóch komputerów kwantowych za pomocą łączy optycznych, a następnie prowadzenie obliczeń z wykorzystaniem potencjału obu maszyn – wyjaśnia fizyk. – Możemy zatem postawić hipotezę, że silne impulsy powstające w wyniku nadpromienistości będą mogły zostać wykorzystane do budowy wydajnych łączy optycznych, umożliwiających tworzenie rozległych sieci kwantowych, w których nawet odległe elementy infrastruktury będą mogły być ze sobą połączone poprzez dystrybucję splątanych fotonów.
Badania nad superradiancją są wspierane przez Narodowe Centrum Nauki poprzez grant PRELUDIUM BIS 2: "Metody oparte na pojedynczych fotonach do analizy układów atomowych".