Lorsque les atomes interagissent les uns avec les autres, ils se comportent comme un tout plutôt que comme des entités individuelles. Cela peut donner lieu à des réponses synchronisées aux entrées, un phénomène qui, s'il est correctement compris et contrôlé, peut s'avérer utile pour développer des sources lumineuses, construire des capteurs capables de prendre des mesures ultraprécises et comprendre la dissipation dans les ordinateurs quantiques.

Mais pouvez-vous dire quand les atomes d'un groupe sont synchronisés ? Dans un nouveau travail dans Nature Communications , la physicienne de Columbia Ana Asenjo-Garcia et son postdoc Stuart Masson montrent comment un phénomène appelé sursaut superradiant peut indiquer un comportement collectif parmi des réseaux d'atomes, résolvant ce qui est un problème vieux de plusieurs décennies dans le domaine de l'optique quantique.

Faire briller un laser sur un atome ajoute de l'énergie, le mettant dans ce qu'on appelle un état "excité". Finalement, il reviendra à son niveau d'énergie de base, libérant l'énergie supplémentaire sous la forme d'une particule de lumière appelée photon. Dans les années 1950, le physicien Robert Dicke a montré que l'intensité de l'impulsion lumineuse émise par un seul atome excité, qui émet des photons à des moments aléatoires, commencera immédiatement à décliner. L'impulsion d'un groupe sera en fait "superradiante", avec une intensité croissante au début parce que les atomes émettent la majeure partie de l'énergie dans une courte et brillante rafale de lumière.

Le problème? Dans la théorie de Dicke, les atomes sont tous contenus en un seul point, une possibilité théorique qui ne peut pas exister dans la réalité.

Pendant des décennies, les chercheurs ont débattu pour savoir si les atomes espacés dans différents arrangements, comme des lignes ou de simples grilles, présenteraient une superradiance, ou si toute distance éliminerait immédiatement ce signe extérieur de comportement collectif. Selon les calculs de Masson et Asenjo-Garcia, le potentiel est toujours là. "Peu importe comment vous organisez vos atomes ou combien il y en a, il y aura toujours un sursaut superradiant s'ils sont suffisamment proches les uns des autres", a déclaré Masson.

Leur approche surmonte un gros problème en physique quantique :à mesure qu'un système grossit, il devient exponentiellement plus compliqué d'effectuer des calculs à son sujet. Selon les travaux d'Asenjo-Garcia et Masson, prédire la superradiance se résume à seulement deux photons. Si le premier photon émis par le groupe n'accélère pas l'émission du second, il n'y aura pas de sursaut. Le facteur déterminant est la distance entre les atomes, qui varie selon leur disposition. Par exemple, un réseau de 40x40 atomes présentera une rafale s'ils sont à moins de 0,8 d'une longueur d'onde l'un de l'autre.

Selon Masson, c'est une distance réalisable dans des installations expérimentales de pointe. Bien qu'il ne puisse pas encore fournir de détails sur la force ou la durée de l'éclatement si le réseau est supérieur à 16 atomes (ces calculs précis sont trop compliqués, même sur les supercalculateurs de Columbia), le cadre prédictif simple développé par Masson et Asenjo-Garcia peut indiquer si un réseau expérimental donné produira une superradiance, ce qui est un signe que les atomes se comportent collectivement.

Dans certaines applications, par exemple dans les lasers dits superradiants, qui sont moins sensibles aux fluctuations thermiques que les lasers conventionnels, les atomes synchronisés sont une caractéristique souhaitable que les chercheurs voudront incorporer dans leurs dispositifs. Dans d'autres applications, telles que les tentatives de réduction physique des réseaux atomiques pour l'informatique quantique, le comportement collectif pourrait entraîner des résultats imprévus s'il n'est pas correctement pris en compte. "Vous ne pouvez pas échapper à la nature collective des atomes, et cela peut se produire à des distances plus grandes que ce à quoi vous pourriez vous attendre", a déclaré Masson. + Explorer plus loin

Superradiance d'un ensemble de noyaux excités par un laser à électrons libres