Le physicien théoricien Farokh Mivehvar a étudié l'interaction de deux ensembles d'atomes émettant de la lumière à l'intérieur d'une cavité quantique, un dispositif optique composé de deux minuscules miroirs de haute qualité se faisant face qui confinent la lumière dans une petite zone pendant une période prolongée. Le modèle et les prédictions peuvent être mis en œuvre et observés dans des expériences d'électrodynamique quantique de cavité/guide d'ondes de pointe et pourraient avoir des applications dans la nouvelle génération de lasers dits superradiants.
La superradiance est l’un des phénomènes les plus surprenants et les plus frappants de l’optique quantique. Cependant, cela peut être compris intuitivement en imaginant un atome comme une minuscule antenne capable d'émettre de la lumière (ou plus techniquement, un rayonnement électromagnétique) dans des conditions appropriées.
"Imaginez maintenant qu'il existe une collection de N atomes. Lorsque ces N atomes sont éloignés les uns des autres et excités thermiquement, ils rayonnent indépendamment les uns des autres, de sorte que l'intensité de la lumière émise est proportionnelle au nombre d'atomes, N ", explique Farokh Mivehvar du Département de physique théorique de l'Université d'Innsbruck.
Cependant, si ces atomes sont très proches, les antennes atomiques commencent à communiquer entre elles et par conséquent se synchronisent, émettant ainsi une lumière dont l'intensité est égale au carré du nombre d'atomes.
"On peut imaginer cette situation comme si les atomes formaient une seule antenne géante qui émettrait de la lumière plus efficacement", explique Farokh Mivehvar. "En conséquence, les atomes émettent leur énergie N fois plus rapidement que les atomes indépendants." C'est cet effet qui est appelé superradiance.
Dans son ouvrage récent, publié dans Physical Review Letters , Farokh Mivehvar a théoriquement considéré deux collections d'atomes, chacune contenant un nombre d'atomes (N1 et N2 ), à l’intérieur d’une cavité quantique. Dans chaque ensemble, les atomes sont très proches les uns des autres et peuvent émettre de la lumière de manière superradiante.
"Cependant, il n'est pas évident a priori comment ces deux antennes géantes associées aux deux ensembles atomiques peuvent émettre de la lumière simultanément", explique Mivehvar. Cela s’avère non trivial. "En particulier, nous trouvons deux manières distinctes par lesquelles les deux antennes géantes peuvent émettre de la lumière."
Dans le premier cas, les deux antennes géantes coopèrent entre elles et forment une seule antenne super-géante, émettant encore plus de lumière de manière superradiante. Cependant, dans la deuxième manière, les deux antennes géantes entrent en compétition de manière destructrice, supprimant ainsi l'émission de lumière superradiante.
En particulier, lorsque les deux ensembles possèdent le même nombre d’atomes, l’émission de lumière superradiante est complètement supprimée. "De plus, nous trouvons également des cas où les deux antennes géantes émettent une lumière qui est une superposition des deux types mentionnés précédemment et qui a un caractère oscillatoire", explique Farokh Mivehvar.
Le modèle et les prédictions peuvent être mis en œuvre et observés dans des expériences d'électrodynamique quantique de pointe en cavité/guide d'ondes. Les résultats pourraient également avoir des applications dans la nouvelle génération de lasers dits superradiants.
Plus d'informations : Farokh Mivehvar, Modèles Dicke conventionnels et non conventionnels :multistabilités et dynamique hors équilibre, Physical Review Letters (2024). DOI :10.1103/PhysRevLett.132.073602. Sur arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.05686
Fourni par l'Université d'Innsbruck
