Pesquisadores da Escola de Física da Universidade de Varsóvia, do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia e da Universidade Emory (Atlanta, EUA) exploraram como os átomos influenciam uns aos outros quando interagem com a luz. Sua pesquisa foi publicada em Cartas de revisão físicaampliando os modelos existentes deste efeito. Ao demonstrar que as interações diretas entre átomos podem aumentar poderosas explosões coletivas de luz conhecidas como superradiância, a equipe abriu novas possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas avançadas.
Em sistemas de matéria leve, muitos emissores (por exemplo, átomos) compartilham o mesmo padrão óptico dentro de uma cavidade. Este padrão representa um padrão de luz confinado entre espelhos, permitindo um comportamento coletivo que átomos isolados não podem exibir. Um exemplo importante é a superradiância, um efeito quântico no qual os átomos emitem luz em perfeita sincronia, produzindo um brilho muito maior do que a soma das suas emissões individuais.
A maioria dos primeiros estudos de superradiância assumiu o domínio do acoplamento luz-matéria, modelando todo o aglomerado de átomos como um grande “dipolo gigante” conectado ao campo eletromagnético da cavidade. “Os fotões funcionam como um meio, acoplando cada emissor a todos os outros emissores dentro da cavidade”, explica o Dr. João Pedro Mendonça, primeiro autor do estudo, que recebeu o seu doutoramento na Universidade de Varsóvia e agora conduz investigação no seu Centro de Novas Tecnologias. No entanto, em materiais reais, os átomos próximos também interagem através de forças dipolo-dipolo de curto alcance, o que é frequentemente esquecido. O novo estudo explora o que acontece quando essas interações intrínsecas átomo-átomo são levadas em consideração. Os resultados mostram que esta interação pode competir ou melhorar o acoplamento mediado por fótons responsável pela superradiância. Compreender este equilíbrio é crucial para interpretar experiências em que a luz e a matéria se influenciam fortemente.
O papel do emaranhamento na interação da luz e da matéria
No cerne desse comportamento está o emaranhamento quântico, a conexão profunda entre partículas que compartilham um estado quântico. No entanto, muitas abordagens teóricas comuns tratam a luz e a matéria como entidades separadas, eliminando assim esta ligação crucial. “Os modelos semiclássicos simplificam muito os problemas quânticos, mas ao custo da perda de informações críticas; eles efetivamente ignoram o possível emaranhamento entre fótons e átomos, o que descobrimos não ser uma boa aproximação em alguns casos”, observam os autores.
Para resolver este problema, a equipe desenvolveu um método computacional que representa explicitamente o emaranhamento, permitindo rastrear correlações dentro e entre subsistemas atômicos e fotônicos. Seus resultados mostram que as interações diretas entre átomos vizinhos podem diminuir o limiar de superradiância e até mesmo revelar fases ordenadas anteriormente desconhecidas com as mesmas propriedades-chave. No geral, este trabalho mostra que incluir o emaranhamento é fundamental para descrever com precisão o comportamento completo da matéria leve.
Impacto na tecnologia quântica
Além de aprofundar a compreensão fundamental, esta descoberta tem implicações práticas para futuras tecnologias quânticas. Os sistemas de matéria luminosa baseados em cavidades estão no centro de muitos dispositivos emergentes, incluindo baterias quânticas – unidades conceituais de armazenamento de energia que podem carregar e descarregar mais rapidamente, explorando efeitos quânticos coletivos. Superradiance pode acelerar ambos os processos, aumentando a eficiência geral.
As novas descobertas esclarecem como as interações atômicas microscópicas influenciam esses processos. Ao ajustar a força e a natureza das interações entre os átomos, os cientistas podem adaptar as condições necessárias para a superradiação e controlar como a energia se move através do sistema. “Depois de manter o emaranhado de luz-matéria no seu modelo, você pode prever quando o dispositivo irá carregar rapidamente e quando não. Isto transforma o efeito de muitos corpos numa regra prática de design”, diz João Pedro Mendonça. Princípios semelhantes poderiam promover redes de comunicação quântica e sensores de alta precisão.
A pesquisa resultou de uma parceria internacional, reunindo expertise de múltiplas instituições. João Pedro Mendonça realizou vários estudos nos Estados Unidos com o apoio do programa “Initiative of Excellence – Research Universities” (IDUB) da Universidade de Varsóvia e da Agência Nacional Polaca para o Intercâmbio Académico (NAWA). Os pesquisadores enfatizaram que a colaboração e a mobilidade foram fundamentais para o seu sucesso. “Este é um excelente exemplo de como a mobilidade e a colaboração internacionais podem abrir portas para avanços”, concluiu a equipa.
