„Superradianz“ ist eines der überraschendsten und erstaunlichsten Phänomene der Quantenoptik. Es lässt sich jedoch intuitiv recht leicht verstehen, wenn man sich ein Atom als winzige Antenne vorstellt, die unter geeigneten Bedingungen Licht (oder, genauer gesagt, ein elektromagnetisches Strahlungsfeld) aussenden kann. „Stellen Sie sich nun vor, dass es eine Ansammlung von N Atomen gibt. Wenn diese N Atome weit voneinander entfernt sind und thermisch angeregt werden, strahlen sie unabhängig voneinander, so dass die Intensität des ausgesandten Lichts proportional zur Anzahl der Atome N ist“, erklärt Farokh Mivehvar vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. Befinden sich diese Atome jedoch sehr nahe beieinander, beginnen die atomaren Antennen miteinander zu sprechen und synchronisieren sich in der Folge, so dass sie Licht aussenden, dessen Intensität mit dem Quadrat der Anzahl der Atome steigt. „Man kann sich das so vorstellen, dass die Atome eine einzige riesige Antenne bilden, die das Licht effizienter abstrahlt“, so Farokh Mivehvar weiter. „Daher strahlen die Atome ihre Energie N-mal schneller ab als unabhängige Atome.“ Dieser Effekt wird als „Superradianz“ bezeichnet.
Auf dem Weg zu superradianten Lasern
In seiner kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten theoretischen Arbeit hat Farokh Mivehvar zwei Ansammlungen von Atomen in einem Hohlraum betrachtet, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Atomen (N1 und N2) enthalten. In jedem Ensemble befinden sich die Atome sehr nahe beieinander und können Licht „superradiant“ emittieren. „Es ist jedoch nicht von vornherein klar, wie diese beiden Atomensembles gleichzeitig Licht aussenden können“, sagt Mivehvar. Dies erweist sich als nicht trivial. „Wir finden insbesondere zwei verschiedene Möglichkeiten, wie die beiden Riesenantennen Licht aussenden können.“ Bei der ersten Möglichkeit ergänzen sich die beiden Antennen und bilden eine einzige Super-Riesenantenne, die das Licht noch stärker ausstrahlt. In der zweiten Variante konkurrieren die beiden Riesenantennen jedoch auf destruktive Weise miteinander und unterdrücken so die superradiante Lichtemission. Insbesondere, wenn die beiden Ensembles die gleiche Anzahl von Atomen haben, wird die superradiante Lichtemission vollständig unterdrückt. „Darüber hinaus finden wir auch Fälle, in denen die beiden Riesenantennen Licht aussenden, das eine Überlagerung der beiden zuvor genannten Typen ist und einen oszillierenden Charakter hat“, sagt Farokh Mivehvar.
Das Modell und die Vorhersagen können in modernen Hohlraum-/Wellenleiter-Quantenelektrodynamik-Experimenten umgesetzt und beobachtet werden. Die Ergebnisse könnten auch in einer neuen Generation von sogenannten superradianten Lasern Anwendung finden.
Publikation: Conventional and Unconventional Dicke Models: Multistabilities and Nonequilibrium Dynamics. Farokh Mivehvar. Phys. Rev. Lett. 132, 073602 DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.073602