Astronomía

¿Qué es la superradiancia?

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¿Qué es la superradiancia? Me encontré con este término recientemente (utilizado ampliamente para explicar las ráfagas de radio rápidas). Después de buscar un poco en Google, lo que entiendo es: cuando varios átomos están confinados en un área muy pequeña y uno de los átomos emite un fotón (espontánea y aleatoriamente), afecta a todos los demás átomos excitados en su vecindario para liberar su exceso de energía en el mismo momento produciendo un intenso destello de luz. El confinamiento del área pequeña es tal que el área es más pequeña que la longitud de onda de los fotones.

En los púlsares o FRB, esto también se denomina emisión de antena / agrupamiento espacial. Los investigadores que trabajan con púlsares pueden tener un buen conocimiento de este fenómeno. El otro tipo de emisión de radio coherente es la emisión de máser de sincrotrón.

¿Alguien puede ilustrar un poco más sobre este tema?


La superradiancia de Dicke y las ráfagas rápidas de radio

Las ráfagas de radio rápidas (FRB) emanan de fuentes extragalácticas y se caracterizan por ráfagas de radiación cortas (de decenas de μs a varios ms) y potentes detectadas en frecuencias de radio con anchos de banda que a menudo abarcan varios cientos de MHz. Pero a pesar de los crecientes esfuerzos de observación destinados a su detección y la caracterización de sus entornos de acogida, la naturaleza de los FRB sigue siendo difícil de alcanzar. En esta presentación, discutiré la aplicación de la superradiancia (SR) de Dicke al problema de FRB mientras me esfuerzo por dar cuenta de la cantidad significativa de datos obtenidos en FRB 121102, la única fuente de este tipo que hasta ahora se ha localizado con precisión y se ha identificado su host. Aunque ha pasado desapercibido para la comunidad astrofísica hasta hace muy poco, la SR ha sido un campo de investigación muy activo en la comunidad de la óptica cuántica desde su introducción por RH Dicke en 1954. En esta presentación, comenzaré dando una breve descripción de la física subyacente a la RS de Dicke y muestra cómo este fenómeno de entrelazamiento mecánico cuántico podría ayudar a dilucidar la naturaleza de los FRB. En particular, mostraré cómo un púlsar joven ubicado a ∼100 pc o más desde un sistema SR / FRB podría iniciar el inicio de una poderosa explosión de radiación detectable a distancias cosmológicas.


Efecto cuántico de superradiancia detectado en pequeños diamantes

En la red de diamante, hay tipos especiales de defectos, que consisten en un átomo de nitrógeno (blanco) y un átomo de carbono faltante. Crédito: Universidad Tecnológica de Viena

Bajo ciertas condiciones, un átomo puede hacer que otros átomos emitan un destello de luz. En TU Wien (Viena), este efecto cuántico ahora se ha medido.

El efecto se ha predicho teóricamente hace décadas, pero es muy difícil proporcionar evidencia experimental de ello: la superradiancia es el fenómeno de un átomo que emite energía en forma de luz y hace que un gran número de otros átomos en sus inmediaciones emitan energía también al mismo tiempo. Esto crea un destello de luz breve e intenso.

Hasta ahora, este fenómeno solo podía estudiarse con átomos libres (y con el uso de simetrías especiales). Ahora, en TU Wien (Viena), se midió en un sistema de estado sólido. El equipo usó átomos de nitrógeno, integrados en pequeños diamantes que pueden acoplarse con radiación de microondas. Los resultados ya se han publicado en la revista. Física de la naturaleza.

Un destello brillante de luz cuántica

Según las leyes de la física cuántica, los átomos pueden estar en diferentes estados. "Cuando el átomo absorbe energía, se desplaza a un estado llamado excitado. Cuando regresa a un estado de energía más baja, la energía se libera nuevamente en forma de fotón. Esto suele suceder al azar, en puntos en el tiempo completamente impredecibles. ", dice Johannes Majer, líder del grupo de investigación del Instituto de Física Atómica y Subatómica (TU Wien).

Sin embargo, si varios átomos están ubicados cerca uno del otro, puede ocurrir un efecto cuántico interesante: uno de los átomos emite un fotón (de manera espontánea y aleatoria), lo que afecta a todos los demás átomos excitados en su vecindad. Muchos de ellos liberan su exceso de energía en el mismo momento, produciendo un intenso destello de luz cuántica. Este fenómeno se llama "superradiancia".

"Desafortunadamente, este efecto no se puede observar directamente con átomos ordinarios", dice Andreas Angerer, primer autor del estudio. "La superresplandor solo es posible si coloca todos los átomos en un área que es significativamente más pequeña que la longitud de onda de los fotones". Entonces, tendría que enfocar los átomos a menos de 100 nanómetros, y luego, las interacciones entre los átomos serían tan fuertes que el efecto ya no sería posible.

Defectos en la celosía de diamantes.

Resonador de microondas con diamante en el centro. Crédito: Universidad Tecnológica de Viena

Una solución a este problema es utilizar un sistema cuántico que Majer y su equipo han estado investigando durante años: pequeños defectos incorporados en los diamantes. Si bien los diamantes ordinarios consisten en una cuadrícula regular de átomos de carbono, los defectos de la red se han incorporado deliberadamente a los diamantes en el laboratorio de Majer. En ciertos puntos, en lugar de un átomo de carbono, hay un átomo de nitrógeno y el punto adyacente en la red de diamantes está desocupado.

Estos diamantes especiales con defectos de celosía fueron fabricados en Japón por Junichi Isoya y su equipo en la Universidad de Tsukuba. Han logrado producir la concentración más alta del mundo de estos defectos deseados sin causar ningún otro daño. La base teórica del efecto fue desarrollada por Kae Nemoto (Instituto Nacional de Informática) y William Munro (Laboratorios de Investigación Básica NTT) en Tokio, Japón.

Al igual que los átomos ordinarios, estos defectos de diamante también se pueden cambiar a un estado excitado, pero esto se logra con fotones en el rango de microondas, con una longitud de onda muy grande. "Nuestro sistema tiene la ventaja decisiva de que podemos trabajar con radiación electromagnética que tiene una longitud de onda de varios centímetros, por lo que no es problema concentrar los sitios de defectos individuales dentro del radio de una longitud de onda", explica Andreas Angerer.

Cuando muchos defectos de diamantes se cambian a un estado excitado, generalmente pueden pasar horas para que todos vuelvan al estado de menor energía. Sin embargo, debido al efecto de superradiancia, esto ocurre en aproximadamente 100 nanosegundos. El primer fotón que se envía espontáneamente hace que todos los demás sitios defectuosos también emitan fotones.

La superradiancia se basa en el mismo principio básico que el láser: en ambos casos hay una emisión estimulada de fotones, desencadenada por un fotón que golpea átomos energéticamente excitados. Sin embargo, estos son dos fenómenos bastante diferentes: en el láser, se necesita un fondo permanente de muchos fotones, estimulando constantemente nuevos átomos. En superradiancia, un solo fotón desencadena un destello de luz por sí solo.

"En cierto sentido, la superradiancia es el efecto más interesante, desde el punto de vista de la física cuántica", dice Johannes Majer. "Hoy en día, se estudian muchos efectos cuánticos novedosos, en los que el entrelazamiento de muchas partículas juega un papel importante. La superradiancia es uno de ellos. Espero que esto conduzca a algo nuevo, que podríamos llamar Tecnología Cuántica 2.0 en las próximas décadas. . "


Superabsorción por superradiancia que invierte el tiempo

Más átomos no solo pueden absorber más luz sino que, si se preparan en un estado cuántico particular, también pueden hacerlo más rápido que los átomos individuales. Ahora, los investigadores han demostrado experimentalmente este proceso de superradiancia invertido en el tiempo.

En 1954, Robert Dicke publicó su innovador trabajo sobre emisión cooperativa que sentó las bases de lo que se convirtió en un efecto característico en la historia de la óptica cuántica, conocido como superradiancia o superfluorescencia 1,2. Dicke demostró que una densa colección de átomos puede emitir fotones mucho más rápido que los átomos individuales por sí mismos. En el corazón de la superradiancia se encuentran las correlaciones entre átomos que alinean sus dipolos individuales en una dirección determinada para formar un momento dipolar gigante. Curiosamente, tales correlaciones entre muchos átomos no solo pueden imponerse externamente por la forma en que estos átomos se preparan inicialmente, sino que también pueden autoinducirse simplemente por el proceso de desintegración desde un estado excitado. Independientemente de su origen, sin embargo, el ordenamiento colectivo en norte tales dipolos correlacionados les permite irradiar a una tasa mejorada proporcional a norte 2, en comparación con una tasa proporcional a norte para un conjunto de átomos no correlacionados. Esta "superradiancia" no solo ha sido objeto de numerosos estudios teóricos y experimentales por sí misma, sino que también ha llevado al desarrollo de conceptos novedosos como el láser superradiante 3 y nuevos esquemas eficientes de recuperación de fotones para protocolos de comunicación cuántica 4.


Superradiancia: efecto cuántico detectado en pequeños diamantes

El efecto se ha predicho teóricamente hace décadas, pero es muy difícil proporcionar evidencia experimental de ello: la "superradiancia" es el fenómeno de un átomo que emite energía en forma de luz y causa una gran cantidad de otros átomos en su forma inmediata. vecindad para emitir energía al mismo tiempo. Esto crea un destello de luz breve e intenso.

Hasta ahora, este fenómeno solo podía estudiarse con átomos libres (y con el uso de simetrías especiales). Ahora, en TU Wien (Viena), se midió en un sistema de estado sólido. El equipo usó átomos de nitrógeno, integrados en pequeños diamantes que pueden acoplarse con radiación de microondas. Los resultados ya se han publicado en la revista. Física de la naturaleza.

Un destello brillante de luz cuántica

Según las leyes de la física cuántica, los átomos pueden estar en diferentes estados. "Cuando el átomo absorbe energía, se desplaza a un estado llamado excitado. Cuando regresa a un estado de energía más baja, la energía se libera nuevamente en forma de fotón. Esto suele suceder al azar, en puntos en el tiempo completamente impredecibles. ", dice Johannes Majer, líder del grupo de investigación del Instituto de Física Atómica y Subatómica (TU Wien). Sin embargo, si varios átomos están ubicados cerca uno del otro, puede ocurrir un efecto cuántico interesante: uno de los átomos emite un fotón (de manera espontánea y aleatoria), lo que afecta a todos los demás átomos excitados en su vecindad. Muchos de ellos liberan su exceso de energía en el mismo momento, produciendo un intenso destello de luz cuántica. Este fenómeno se llama "superradiancia".

"Desafortunadamente, este efecto no se puede observar directamente con átomos ordinarios", dice Andreas Angerer, primer autor del estudio. "La superresplandor solo es posible si coloca todos los átomos en un área que es significativamente más pequeña que la longitud de onda de los fotones". Entonces, tendría que enfocar los átomos a menos de 100 nanómetros, y luego, las interacciones entre los átomos serían tan fuertes que el efecto ya no sería posible.

Defectos en la celosía de diamantes.

Una solución a este problema es utilizar un sistema cuántico que Majer y su equipo han estado investigando durante años: pequeños defectos incorporados en los diamantes. Si bien los diamantes ordinarios consisten en una cuadrícula regular de átomos de carbono, los defectos de la red se han incorporado deliberadamente a los diamantes en el laboratorio de Majer. En ciertos puntos, en lugar de un átomo de carbono, hay un átomo de nitrógeno y el punto adyacente en la red de diamantes está desocupado.

Estos diamantes especiales con defectos de celosía fueron fabricados en Japón por Junichi Isoya y su equipo en la Universidad de Tsukuba. Han logrado producir la concentración más alta del mundo de estos defectos deseados sin causar ningún otro daño. La base teórica del efecto fue desarrollada por Kae Nemoto (Instituto Nacional de Informática) y William Munro (Laboratorios de Investigación Básica NTT) en Tokio, Japón.

Al igual que los átomos ordinarios, estos defectos de diamante también se pueden cambiar a un estado excitado, pero esto se logra con fotones en el rango de microondas, con una longitud de onda muy grande. "Nuestro sistema tiene la ventaja decisiva de que podemos trabajar con radiación electromagnética que tiene una longitud de onda de varios centímetros, por lo que no es problema concentrar los sitios de defectos individuales dentro del radio de una longitud de onda", explica Andreas Angerer.

Cuando muchos defectos de diamantes se cambian a un estado excitado, generalmente pueden pasar horas para que todos vuelvan al estado de menor energía. Sin embargo, debido al efecto de superradiancia, esto ocurre en aproximadamente 100 nanosegundos. El primer fotón que se envía espontáneamente hace que todos los demás sitios defectuosos también emitan fotones.

Similar a los láseres

La superradiancia se basa en el mismo principio básico que el láser: en ambos casos hay una emisión estimulada de fotones, desencadenada por un fotón que golpea átomos energéticamente excitados. Sin embargo, estos son dos fenómenos bastante diferentes: en el láser, se necesita un fondo permanente de muchos fotones, estimulando constantemente nuevos átomos. En superradiancia, un solo fotón desencadena un destello de luz por sí solo.

"En cierto sentido, la superradiancia es el efecto más interesante, desde el punto de vista de la física cuántica", dice Johannes Majer. "Hoy en día, se estudian muchos efectos cuánticos novedosos, en los que el entrelazamiento de muchas partículas juega un papel importante. La superradiancia es uno de ellos. Espero que esto conduzca a algo nuevo, que podríamos llamar Tecnología Cuántica 2.0 en las próximas décadas. . "


¿Qué es la superradiancia? - Astronomía

Aplicamos el concepto de superradiancia que fue introducido por Dicke en 1954 a la línea espectral de la molécula OH de 1612 MHz, que se utiliza a menudo para la detección de máseres en las envolturas circunestelares de estrellas evolucionadas. Debido a que la detección de máseres OH de 1612 MHz en las capas externas de las envolventes de estas estrellas implica la existencia de una inversión de población y un alto nivel de coherencia de velocidad, y que estos son dos requisitos necesarios para la superradiancia, investigamos si la superradiancia también puede ocurrir en estas regiones. La superradiancia se caracteriza por características similares a ráfagas espacialmente compactas de alta intensidad que tienen lugar en escalas de tiempo del orden de segundos a años, según el tamaño y las condiciones físicas presentes en las regiones que albergan tales fuentes de radiación. Nuestro análisis sugiere que la superradiancia proporciona una explicación válida para observaciones previas de llamaradas de intensidad detectadas en esa línea espectral para la estrella U Orionis Mira y la nebulosa preplanetaria IRAS 18276-1431.


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Resultado de la investigación: Contribución a la revista ›Artículo de la conferencia› revisión por pares

T1 - Superradiancia en el transporte a través de un conjunto de puntos cuánticos dobles

N2 - Teóricamente estudiamos el transporte a través de un conjunto de puntos cuánticos dobles (DQD) fabricados en una cavidad de microondas. Los DQD se acoplan a un campo común de fotones acoplando la constante λ, mientras que los fotones escapan de la cavidad con la tasa de ph. Cuando ph ≥ λ, una emisión de fotones de las DQD crea un entrelazamiento entre los electrones en las DQD, lo que mejora la tasa de emisión posterior (superradiancia). Proponemos un experimento de transporte para observar la superradiancia usando una secuencia de pulsos de voltaje.

AB - Teóricamente estudiamos el transporte a través de un conjunto de puntos cuánticos dobles (DQD) fabricados en una cavidad de microondas. Los DQD se acoplan a un campo común de fotones acoplando la constante λ, mientras que los fotones escapan de la cavidad con la tasa de ph. Cuando ph ≥ λ, una emisión de fotones de las DQD crea un entrelazamiento entre los electrones en las DQD, lo que mejora la tasa de emisión posterior (superradiancia). Proponemos un experimento de transporte para observar la superradiancia usando una secuencia de pulsos de voltaje.


Educación

Me gradué summa cum laude de Western University en 2017 con una especialización con honores en física y tuve la afortunada oportunidad de participar en vibrantes experiencias educativas como la astronomía en Taj. Mi título se centró en gran medida en matemáticas y física junto con cursos adicionales en estadística, computación científica, química orgánica y genética.

Actualmente soy candidato a doctorado en física del plasma en el MIT y me especializo en teoría del plasma e ingeniería de fusión, al tiempo que aplico técnicas de aprendizaje automático en mi trabajo. Los proyectos anteriores durante el curso de mis estudios de posgrado van desde el diseño propuesto de un generador MHD para un cohete nuclear conceptual hasta revisiones de los impactos del miedo a la radiación que emana del desastre nuclear de Fukushima Daiichi. Mi investigación actual se centra principalmente en los fenómenos del plasma de borde tratando de comprender los mecanismos que influyen en la turbulencia y la estabilidad en los plasmas de fusión.


Superradiancia de un conjunto de núcleos excitados por un láser de electrones libres

La figura muestra las emisiones de fotones de 57 átomos de Fe. El gráfico muestra que a medida que aumenta el número de átomos de 1 a 5 a 20, aumenta el tiempo hasta la primera emisión, mientras que aumenta la energía de los fotones. Crédito: RIKEN

Una colaboración de científicos de cinco de las fuentes de rayos X más avanzadas del mundo en Europa, Japón y EE. UU. Ha logrado verificar una predicción básica del comportamiento mecánico-cuántico de los sistemas resonantes. En el estudio publicado en Física de la naturaleza, pudieron seguir cuidadosamente, un rayo X a la vez, la desintegración de los núcleos en un cristal perfecto después de la excitación con un destello de rayos X de la fuente pulsada más fuerte del mundo, el láser de electrones libres de rayos X SACLA en Harima. , Japón. Observaron una reducción drástica del tiempo necesario para emitir la primera radiografía a medida que aumentaba el número de radiografías. Este comportamiento está de acuerdo con un límite de un sistema superradiante, como predijo Robert H. Dicke en 1954.

Dicke predijo que, de la misma manera que una gran colección de campanas actuará de manera diferente a una sola campana que se toca, un grupo de átomos emitirá luz en respuesta a la excitación a una velocidad diferente, más rápida, que un solo átomo. Él predijo un estado "superradiante", donde, cuando se colocan grandes cantidades de fotones o cuantos en un sistema con muchos átomos, la desintegración se vuelve mucho más rápida que para un solo átomo aislado. Tomando la analogía de las campanas, estaba sugiriendo que si tienes una gran cantidad de campanas que excitas juntas, pueden sonar fuerte, pero el sonido se apaga mucho más rápido que el suave desvanecimiento de una sola campana. Su enfoque incluyó efectos cuánticos, prediciendo que la desintegración más rápida ocurría cuando el número de cuantos era la mitad del número de átomos.

El concepto de superradiancia se ha verificado desde entonces y, de hecho, es una piedra de toque en el campo de la óptica cuántica. Sin embargo, Dicke también predijo que se produciría un cambio muy fuerte en la tasa de desintegración incluso cuando el número de cuantos en el sistema fuera mucho menor que el número de átomos en el sistema. Esto es lo que se investigó en los experimentos recientes en SACLA y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia.

a, Scope trazas de los detectores de fotodiodos de avalancha (APD) después de un pulso de 44 fotones y los ajustes utilizados para analizar la distribución. b, La distribución de eventos multifotónicos medidos en los detectores APD, en comparación con un modelo que incorpora una fuente coherente con pocos modos (M = 2,2) y una fuente incoherente (límite M grande). Crédito: RIKEN

El nuevo trabajo reemplazó los cuantos de baja energía imaginados por Dicke con rayos X de alta energía, lo que permitió a los investigadores seguir la desintegración del sistema un cuanto, es decir, un rayo X, a la vez. Sin embargo, obtener fuertes pulsos de rayos X es mucho más difícil que para la luz de baja energía y se requiere el uso de las fuentes más modernas, los láseres de electrones libres de rayos X. Estas fuentes solo están disponibles recientemente, y de las pocas que operan en el mundo, solo una, SACLA, en el Centro RIKEN SPring-8 en Japón, logra la alta energía requerida. Utilizando esta fuente, un equipo internacional de investigadores de la ESRF en Francia, SPring-8 en Japón, DESY en Alemania, APS en los EE. UU. Y el Instituto Kurchatov en Rusia, pudieron seguir con precisión la desintegración de hasta 68 x- fotones de rayos. Observaron que la emisión acelerada del primer fotón estaba en excelente acuerdo con la predicción de Dicke. La desintegración de un solo fotón en las mismas condiciones experimentales se estudió en la ESRF.

Según Alfred Baron del Centro RIKEN SPring-8, "A través de este trabajo, pudimos demostrar que el trabajo de Dicke era correcto y también pudimos ofrecer una imagen alternativa de las propiedades de la descomposición, basada en un enfoque estadístico. ser valioso para comprender el trabajo futuro ".

El aumento de la tasa de desintegración inicial para las transiciones de N a N-1 estados excitados revelados (a) por la desintegración acelerada del primer fotón de N detectado, PN 1 (t) (b) por las relaciones PN 1 (t ) / P1 1 (t) de estos datos a la desintegración de fotón único P11 (t) (mostrado en (c)), y (d) por las tasas de aceleración estimadas (PN 1 / P1 1) | t → 0. Las líneas continuas en (a, b) son los cálculos basados ​​en el enfoque estadístico. La línea continua en (d) es el ajuste de potencia. Crédito: RIKEN

Los avances recientes en los estudios ópticos de los sistemas de materia condensada han llevado al surgimiento de una variedad de fenómenos que se han estudiado convencionalmente en el ámbito de la óptica cuántica. Estos estudios no solo han profundizado nuestra comprensión de las interacciones entre la luz y la materia, sino que también han introducido aspectos de las correlaciones de muchos cuerpos inherentes a los procesos ópticos en los sistemas de materia condensada. Este artículo se ocupa del fenómeno de superradiancia (SR), un profundo proceso óptico cuántico predicho originalmente por Dicke en 1954. El concepto básico de SR se aplica a un sistema general de cuerpos N, donde los dipolos oscilantes constituyentes se acoplan mediante la interacción con una luz común. campo y acelerar la desintegración radiativa de todo el sistema. Por lo tanto, el término SR aparece ubicuamente para describir el acoplamiento radiativo de un número arbitrario de osciladores en muchas situaciones en la ciencia moderna tanto de descripción clásica como cuántica. En la manifestación más fascinante de SR, conocida como superfluorescencia (SF), un sistema preparado de manera incoherente de átomos invertidos de N desarrolla espontáneamente coherencia macroscópica a partir de las fluctuaciones del vacío y produce un pulso retardado de luz coherente cuya intensidad máxima ∝ N 2. Estos pulsos de SF se han observado en gases atómicos y moleculares, y se ha demostrado sin ambigüedades su intrigante naturaleza cuántica. En esta revisión, nos centramos en el campo de investigación en rápido desarrollo sobre los fenómenos de SR en sólidos, donde no solo existen acoplamientos mediados por fotones (como en los átomos) sino también fuertes interacciones de Coulomb y procesos de dispersión ultrarrápida. Describimos SR y SF en centros moleculares en sólidos, agregados moleculares y cristales, puntos cuánticos y pozos cuánticos. En particular, resumiremos una serie de estudios que hemos realizado recientemente en pozos cuánticos de semiconductores en presencia de un fuerte campo magnético. En un tipo de experimento, los pares de electrones y huecos se prepararon de manera incoherente, pero una polarización macroscópica emergió espontáneamente y decayó cooperativamente, emitiendo una intensa explosión de SF. En otro tipo de experimento, observamos la desintegración SR de la resonancia ciclotrónica coherente de gases de electrones 2D de movilidad ultra alta, lo que lleva a una tasa de desintegración proporcional a la densidad de electrones. Estos resultados muestran que los efectos cooperativos en los sistemas de estado sólido no son simplemente pequeñas correcciones que requieren la observación de condiciones exóticas, sino que pueden dominar la dinámica de desequilibrio y los procesos de emisión de luz de todo el sistema de electrones en interacción.

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Comentarios:

  1. Vijas

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