纠缠原子被发现能大幅增强光发射

物理学家发现了直接原子间相互作用如何放大超辐射现象，即原子同步工作时集体释放的光。通过将量子纠缠纳入其模型中，他们揭示这些相互作用可以提高能量转移效率，为量子电池、传感器和通信系统的新型设计原则提供了新的思路。

将原子置于光学腔中相互作用，并与光模式相互作用的可视化。华沙大学物理学院、华沙大学新技术中心和埃默里大学（美国亚特兰大）的研究人员探索了原子在与光线相互作用时彼此如何影响对方。他们发表在《物理评论快报》上的研究扩展了对该效应现有模型的理解。

通过证明直接原子间的相互作用可以增强一种名为超辐射的强集体发光现象，该团队为开发先进的量子技术开辟了新的可能性。在光物质系统中，许多发射体（例如原子）共享腔内的同一光学模式。

这种模式代表了一种被镜子限制的光线图案，使孤立的原子无法表现出的集体行为成为可能。一个关键例子是超辐射——一种量子效应，在此效应下，原子以完美的同步方式发光，产生的亮度远远大于它们单独发射的总和。

大多数早期关于超辐射的研究假设光物质耦合占主导地位，将整个原子组视为一个大型的“巨极子”，并与腔体的电磁场相连。“光子充当媒介，使每个发射器与腔体内其他所有发射器耦合。”这项研究的第一作者、在华沙大学获得博士学位并现于其新科技中心进行研究的若昂·佩德罗·门多萨博士解释道。

然而，在实际材料中，邻近原子之间还通过短程偶极-偶极相互作用进行交互，这些相互作用往往被忽视。新的研究探讨了在考虑这些固有原子间相互作用时会发生什么。

研究成果表明，这些相互作用可以与负责超辐射的光子介导耦合竞争或增强。理解这种平衡对于解释强光物质相互影响的实验至关重要。

光物质相互作用中的纠缠作用在这一行为的核心在于量子纠缠，即共享量子态的粒子之间的深刻联系。然而，许多常见的理论方法将光和物质视为独立实体。

经典半量子模型大大简化了量子问题，但代价是丢失了关键信息；它们实际上忽略了光子与原子可能存在的纠缠，而我们发现，在某些情况下，这并不是一个好的近似。作者指出。为了解决这一问题，该团队开发了一种计算方法，明确表示了纠缠现象，使他们能够追踪原子子系统和光子子系统内部及之间的相关性。

他们的结果表明，邻近原子之间的直接相互作用可以降低超辐射的阈值，并且甚至揭示了一种先前未知的有序相态，其关键性质相似。

总体而言，这项工作证明了在准确描述光物质行为的整个范围时必须包括纠缠。超越加深基本理解，这一发现对未来量子技术具有实际意义。腔基光物质系统是许多新兴设备的核心。

包括量子电池——概念上的能量存储单元，可以通过利用集体量子效应更快地充电和放电。超辐射可以加快这两个过程，从而提高整体效率。新发现阐明了微观原子相互作用如何影响这些过程。

通过调整原子间相互作用的强度和性质，科学家可以调节所需的超辐射条件，并控制能量在系统中的移动方式。若将光与物质纠缠保留在模型中，就可以预测设备何时会快速充电以及何时不会。“这将多体效应转化为实用的设计规则，”João Pedro Mendonça说。类似的原理也可能促进量子通信网络和高精度传感器的发展。

编撰自论文“物质相互作用在超辐射现象中的作用”.物理评论快报.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于公开图库。