Descobriu-se que átomos emaranhados sobrecarregam a emissão de luz

Em sistemas de matéria leve, muitos emissores (por exemplo, átomos) compartilham o mesmo modo óptico dentro de uma cavidade. Este modo representa um padrão de luz confinado entre espelhos, permitindo comportamentos coletivos que átomos isolados não podem exibir. Um exemplo importante é a superradiância, um efeito quântico no qual os átomos emitem luz em perfeita sincronização, criando um brilho muito maior do que a soma das suas emissões individuais.

A maioria dos estudos anteriores sobre superradiância presumiam que o acoplamento luz-matéria dominava, modelando todo o grupo atômico como um grande “dipolo gigante” conectado ao campo eletromagnético da cavidade. “Os fótons funcionam 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 o seu doutoramento na Universidade de Varsóvia e agora desenvolve investigação no seu Centro de Novas Tecnologias. Em materiais reais, entretanto, átomos próximos também interagem através de forças dipolo-dipolo de curto alcance, que são frequentemente ignoradas. O novo estudo examina o que acontece quando essas interações intrínsecas átomo-átomo são consideradas. As descobertas mostram que tais interações podem competir ou reforçar o acoplamento mediado por fótons responsável pela superradiância. Compreender este equilíbrio é vital para interpretar experiências onde a luz e a matéria se influenciam fortemente.

O papel do emaranhamento nas interações luz-matéria

No cerne desse comportamento está o emaranhamento quântico, a conexão profunda entre partículas que compartilham estados quânticos. No entanto, muitos métodos teóricos comuns tratam a luz e a matéria como entidades separadas, apagando esta ligação crucial. “Os modelos semiclássicos simplificam enormemente o problema quântico, mas ao custo da perda de informação crucial; ignoram efectivamente o possível emaranhamento entre fotões e átomos, e descobrimos que, em alguns casos, esta não é uma boa aproximação”, observam os autores.

Para resolver isso, a equipe desenvolveu um método computacional que mantém o emaranhado explicitamente representado, permitindo rastrear correlações dentro e entre os subsistemas atômicos e fotônicos. Os seus resultados mostram que as interações diretas entre átomos vizinhos podem diminuir o limiar da superradiância e até revelar uma fase ordenada anteriormente desconhecida que partilha as suas propriedades principais. No geral, o trabalho demonstra que incluir o emaranhamento é essencial para descrever com precisão toda a gama de comportamentos da matéria leve.

Implicações para tecnologias quânticas

Além de aprofundar a compreensão fundamental, esta descoberta tem um significado prático para futuras tecnologias quânticas. Os sistemas de matéria luminosa baseados em cavidades são fundamentais para muitos dispositivos emergentes, incluindo baterias quânticas – unidades conceituais de armazenamento de energia que poderiam carregar e descarregar muito 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 átomo-átomo, os cientistas podem ajustar as condições necessárias para a superradiância e controlar como a energia se move através do sistema. “Uma vez mantido o emaranhado luz-matéria no modelo, é possível prever quando um dispositivo irá carregar rapidamente e quando não. Isso transforma o efeito de muitos corpos numa regra prática de design,” disse João Pedro Mendonça. Princípios semelhantes também poderiam promover redes de comunicação quântica e sensores de alta precisão.

A pesquisa nasceu de uma parceria internacional que reuniu expertise de diversas instituições. João Pedro Mendonça realizou múltiplas estadias de investigação nos Estados Unidos, apoiadas pelo programa “Excellence Initiative – Research University” (IDUB) da Universidade de Varsóvia e pela Agência Nacional Polaca para o Intercâmbio Académico (NAWA). Os pesquisadores enfatizam 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 a avanços”, conclui a equipa.