Cuando los átomos interactúan entre sí, se comportan como un todo en lugar de entidades individuales. Eso puede dar lugar a respuestas sincronizadas a las entradas, un fenómeno que, si se comprende y controla adecuadamente, puede resultar útil para desarrollar fuentes de luz, construir sensores que puedan tomar medidas ultraprecisas y comprender la disipación en las computadoras cuánticas.

Pero, ¿puedes saber cuándo están sincronizados los átomos de un grupo? En un nuevo trabajo en Nature Communications, la física de Columbia Ana Asenjo-Garcia y su postdoctorado Stuart Masson muestran cómo un fenómeno llamado explosión superradiante puede indicar el comportamiento colectivo entre conjuntos de átomos, resolviendo lo que ha sido un problema de décadas para el campo de la óptica cuántica.

Hacer brillar un láser en un átomo agrega energía, poniéndolo en lo que se conoce como un estado «excitado». Eventualmente, volverá a su nivel de energía base, liberando la energía adicional en forma de una partícula de luz llamada fotón. En la década de 1950, el físico Robert Dicke demostró que la intensidad del pulso de luz emitido por un solo átomo excitado, que emite fotones en momentos aleatorios, comenzará a disminuir de inmediato. El pulso de un grupo en realidad será «superrradiante», aumentando la intensidad al principio porque los átomos emiten la mayor parte de la energía en un breve y brillante estallido de luz.

¿El problema? En la teoría de Dicke, todos los átomos están contenidos en un solo punto, una posibilidad teórica que no puede existir en la realidad.

Durante décadas, los investigadores debatieron si los átomos espaciados en diferentes arreglos, como líneas o cuadrículas simples, exhibirían un súper resplandor, o si cualquier distancia eliminaría inmediatamente este signo externo de comportamiento colectivo. Según los cálculos de Masson y Asenjo-Garcia, el potencial siempre está ahí. “No importa cómo organices tus átomos o cuántos haya, siempre habrá un estallido súper radiante si están lo suficientemente cerca”, dijo Masson.

Su enfoque supera un gran problema de la física cuántica: a medida que un sistema se hace más grande, se vuelve exponencialmente más complicado realizar cálculos sobre él. Según el trabajo de Asenjo-Garcia y Masson, la predicción de la superradiación se reduce a solo dos fotones. Si el primer fotón emitido por el grupo no acelera la emisión del segundo, no se producirá un estallido. El factor determinante es la distancia entre los átomos, que varía según su disposición. Por ejemplo, una matriz de 40×40 átomos exhibirá un estallido si están dentro de 0,8 de longitud de onda entre sí.

Según Masson, esa es una distancia alcanzable en configuraciones experimentales de última generación. Aunque todavía no puede completar los detalles sobre la fuerza o la duración del estallido si la matriz tiene más de 16 átomos (esos cálculos precisos son demasiado complicados, incluso en las supercomputadoras de Columbia), el marco predictivo simple desarrollado por Masson y Asenjo-Garcia puede indicar si una matriz experimental dada producirá superrradiancia, que es una señal de que los átomos se están comportando colectivamente.

En algunas aplicaciones, por ejemplo, en los llamados láseres superrradiantes, que son menos sensibles a las fluctuaciones térmicas que los convencionales, los átomos sincronizados son una característica deseable que los investigadores querrán incorporar en sus dispositivos. En otras aplicaciones, como los intentos de reducir físicamente las matrices atómicas para la computación cuántica, el comportamiento colectivo podría causar resultados no deseados si no se tiene en cuenta adecuadamente. “No puedes escapar de la naturaleza colectiva de los átomos, y puede ocurrir a distancias mayores de lo que cabría esperar”, dijo Masson.