Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, do Centro para Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia e da Emory University (Atlanta, EUA) exploraram como os átomos influenciam uns aos outros ao interagirem com a luz. O estudo, publicado na Physical Review Letters, expande os modelos existentes desse efeito. Ao demonstrar que interações diretas entre átomos podem amplificar um poderoso surto coletivo de luz conhecido como superradiância, a equipe abre novas possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas avançadas.
Em sistemas luz-matéria, muitos emissores (por exemplo, átomos) compartilham o mesmo modo óptico dentro de uma cavidade. Esse modo representa um padrão de luz confinado entre espelhos, permitindo comportamentos coletivos que átomos isolados não podem exibir. Um exemplo chave é a superradiância, um efeito quântico no qual os átomos emitem luz em perfeita sincronia, criando um brilho muito maior do que a soma de suas emissões individuais.
A maioria dos estudos anteriores sobre superradiância assumiu que o acoplamento luz-matéria domina, modelando todo o grupo atômico como um grande “dipolo gigante” conectado ao campo eletromagnético da cavidade. “Os fótons agem como mediadores que acoplam cada emissor a todos os outros dentro da cavidade”, explica o Dr. João Pedro Mendonça, primeiro autor do estudo, que obteve seu doutorado na Universidade de Varsóvia e agora realiza pesquisas em seu Centro para Novas Tecnologias. No entanto, em materiais reais, átomos próximos também interagem por meio de forças dipolo-dipolo de curto alcance, frequentemente negligenciadas. O novo estudo investiga o que acontece quando essas interações intrínsecas entre átomos são consideradas. As descobertas mostram que tais interações podem competir ou reforçar o acoplamento mediado por fótons responsável pela superradiância. Compreender esse equilíbrio é vital para interpretar experimentos em que luz e matéria influenciam fortemente um ao outro.
O Papel do Emaranhamento nas Interações Luz-Matéria
No cerne desse comportamento está o emaranhamento quântico, a profunda conexão entre partículas que compartilham estados quânticos. No entanto, muitos métodos teóricos comuns tratam luz e matéria como entidades separadas, apagando essa ligação crucial. “Modelos semiclassicos simplificam bastante o problema quântico, mas à custa de perder informações cruciais; eles efetivamente ignoram o possível emaranhamento entre fótons e átomos, e descobrimos que, em alguns casos, isso não é uma boa aproximação”, observam os autores.
Para abordar isso, a equipe desenvolveu um método computacional que mantém o emaranhamento explicitamente representado, permitindo rastrear correlações tanto dentro quanto entre os subsistemas atômico e fotônico. Os resultados mostram que interações diretas entre átomos vizinhos podem diminuir o limiar para a superradiância e até revelar uma fase ordenada previamente desconhecida que compartilha suas principais propriedades. No geral, o trabalho demonstra que incluir o emaranhamento é essencial para descrever com precisão toda a gama de comportamentos luz-matéria.
Implicações para Tecnologias Quânticas
Além de aprofundar a compreensão fundamental, essa descoberta tem significados práticos para futuras tecnologias quânticas. Sistemas luz-matéria baseados em cavidades são centrais para muitos dispositivos emergentes, incluindo baterias quânticas — unidades conceituais de armazenamento de energia que poderiam carregar e descarregar muito mais rápido ao explorar efeitos quânticos coletivos. A superradiância pode acelerar ambos os processos, aumentando a eficiência geral.
As novas descobertas esclarecem como interações atômicas microscópicas influenciam esses processos. Ao ajustar a força e a natureza das interações entre átomos, os cientistas podem sintonizar as condições necessárias para a superradiância e controlar como a energia se move pelo sistema. “Uma vez que você mantém o emaranhamento luz-matéria no modelo, pode prever quando um dispositivo será carregado rapidamente e quando não será. Isso transforma um efeito de muitos corpos em uma regra de design prática”, disse João Pedro Mendonça. Princípios semelhantes também poderiam avançar redes de comunicação quântica e sensores de alta precisão.
A pesquisa resultou de uma parceria internacional que reuniu expertise de várias instituições. João Pedro Mendonça realizou várias estadas de pesquisa nos Estados Unidos, apoiado pela iniciativa “Iniciativa de Excelência — Universidade de Pesquisa” (IDUB) da Universidade de Varsóvia e pela Agência Nacional Polonesa para a Troca Acadêmica (NAWA). Os pesquisadores enfatizam que colaboração e mobilidade foram fundamentais para seu sucesso. “Este é um excelente exemplo de como a mobilidade internacional e a colaboração podem abrir portas para avanços significativos”, conclui a equipe.
