Em sistemas de matéria leve, múltiplos emissores (por exemplo, átomos) compartilham o mesmo modo óptico dentro de uma cavidade. Este modo representa a forma de luz confinada entre espelhos, permitindo comportamentos coletivos que átomos isolados não podem exibir. Um excelente exemplo 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.

Estudos anteriores de superradiância, nos quais o acoplamento luz-matéria domina, modelam todo o aglomerado atômico como um grande “dipolo gigante” acoplado ao campo eletromagnético da cavidade. “Os fótons atuam como mediadores que conectam cada emissor a todos os demais dentro da cavidade”, explica o Dr. João Pedro Mendonza. No entanto, em materiais reais, os átomos adjacentes 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 essencial para interpretar experiências em que a luz e a matéria se influenciam fortemente.

Papel do emaranhamento nas interações luz-matéria

No cerne desse comportamento está o emaranhamento quântico, a interação profunda entre partículas que compartilham estados quânticos. No entanto, muitas abordagens teóricas comuns tratam a luz e a matéria como entidades separadas, obliterando esta importante ligação. “Os modelos semiclássicos simplificam muito o emaranhamento quântico, mas perdem informações importantes; eles efetivamente ignoram o emaranhamento potencial entre fótons 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 representa o problema de forma transparente, permitindo observações de interações dentro e entre subsistemas atômicos e fotônicos. Seus resultados sugerem que as interações diretas entre átomos vizinhos podem diminuir o limiar de superradiância e revelar uma fase ordenada anteriormente desconhecida que compartilha suas propriedades principais. No geral, o trabalho demonstra que é necessário adicionar complexidade para descrever com precisão toda a gama de comportamentos da matéria leve.

Implicações para tecnologias quânticas

Além de aprofundar a compreensão fundamental, a descoberta tem implicações práticas para futuras tecnologias quânticas. Os sistemas de materiais leves baseados em cavidades são fundamentais para muitos dispositivos emergentes, incluindo baterias quânticas – unidades conceituais de armazenamento de energia que podem carregar e descarregar muito rapidamente usando efeitos quânticos coletivos. Super Radiance acelera ambos os processos, aumentando o desempenho geral.

As novas descobertas esclarecem como as interações microscópicas influenciam esses processos. Ao ajustar a força e a natureza das interações átomo-átomo, os cientistas podem manipular as condições necessárias para a superradiância e controlar como a energia se move através do sistema. “Ao modelar o problema da matéria luminosa, é possível prever quando um dispositivo irá carregar rapidamente e quando não. Isto torna o efeito de muitos corpos uma regra prática de design”, disse João Pedro Mendonza. Princípios semelhantes poderiam melhorar as redes de comunicação quântica e os sensores de alta precisão.

A pesquisa se desenvolveu por meio de parcerias internacionais que reuniram a expertise de diversas instituições. Jono Pedro Mendonza conduziu diversas pesquisas nos Estados Unidos, apoiadas pelo programa “Best Initiative – Research University” (IDUB) da Universidade de Varsóvia e pela Agência Nacional Polonesa de Intercâmbio Acadêmico (NAWA). Os investigadores sublinham que a colaboração e a mobilidade são fundamentais para o seu sucesso. “Este é um excelente exemplo de como a mobilidade e a cooperação internacionais podem abrir portas a avanços”, conclui o painel.