13ª Semana Integrada do Instituto de Física de São Carlos

Superradiância e superabsorção em amostras atômicas densas

21 de ago. de 2023 10:30

1h 30m

Salão de Eventos USP

Básica 10h30 - 12h00

Descrição

A superradiância em amostras atômicas moderadamente densas foi predita em 1954 por R. Dicke (1), e consiste no processo de emissão espontânea coletiva da amostra. Este processo de emissão coerente de um pulso de luz dá-se em função da interação indireta dos átomos com os fótons emitidos, o que ocorre num intervalo detempo igual a $2\gamma /N$, sendo $\gamma^{-1}$ o tempo de decaimento por emissão espontânea de um átomo. A intensidade deste pulso é proporcional a $N^{2}$, em contraste com a intensidade do processo incoerente de fluorescência, proporcional a $N$. Em 2014, Higgins e colaboradores (2) propuseram o processo de superabsorção da luz por uma amostra atômica, a recíproca do processo de superradiância, e mais recentemente, em 2021 (3), propusemos a construção das oscilações coerentes de Rabi quando da interação de uma amostra atômica com um modo da cavidade, através da combinação dos processos de superradiância e superabsorção. O período dessas oscilações coerentes de Rabi, $\sqrt{N}$ vezes menor que aquele da interação de um único átomo com o modo da cavidade, encontra aplicação na implementação do processamento de informação quântica, contribuindo para o campo da computação e comunicação quânticas. No presente projeto pretendemos estudar os processos de superradiância e superabsorção em amostras densas, nas quais consideramos a interação dipolo-dipolo entre os átomos, ao invés dos átomos não interagentes das amostras moderadamente densas. Logo, além da interação dos átomos com o meio ambiente, devemos agora considerar as interações dos átomos entre si, o que demanda técnicas adequadas para a derivação da equação mestra que descreve o sistema. A partir desse estudo, devemos prosseguir com o acoplamento de uma amostra densa com um modo da cavidade, analisando as potencialidades da utilização de amostras atômicas densas no campo da eletrodinâmica quântica de cavidades e no campo da informação quântica. Como perspectivas futuras, devemos analisar os processos de superradiância e superabsorção considerando um par de amostras atômicas interagente. É possível que a superradiância de uma amostra induza o processo análogo em outra amostra? Em caso afirmativo, a primeira amostra estaria induzindo uma transição de fase de segunda ordem na segunda amostra, análoga à transição de fase do ferromagnetismo, em que a magnetização é substituída pela polarização atômica. O campo dos processos coletivos em óptica quântica encontra-se em seus primórdios, e nele há muito ainda a se fazer, em particular no âmbito da eletrodinâmica quântica de cavidades quando amostras atômicas interagem com modos do campo de radiação.

Referências

1 DICKE, R. H. Coherence in spontaneous radiation processes. Physical Review, v. 93, n. 1, p. 99-110, 1954.

2 HIGGINS, K. D. B. et al. Superabsorption of light via quantum engineering. Nature Communications, v. 5, p. 4705-1-4705-7, 2014.

3 DOURADO, R. A.; MOUSSA, M. H. Y. Coherent many-body Rabi oscillations via superradiance and superabsorption and the mean-field approach for a superradiant laser. Physical Review A, v. 104, n. 2, p. 023708-1-023708-6, 2021.