يظهر بحث جديد كيف يؤدي التشابك إلى تضخيم الضوء

اكتشف الباحثون أنه عندما تتفاعل الذرات وتبقى متشابكة مع الضوء، فإنها تنبعث منها دفعات طاقة أقوى وأكثر تنسيقًا.

يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى أجهزة كمومية أسرع وأكثر كفاءة وتحسين التحكم في أنظمة المادة الخفيفة.

سلوك الضوء الجماعي في أنظمة التجويف

تعمل أنظمة المادة الضوئية على جلب العديد من الباعثات (مثل الذرات) إلى وضع بصري مشترك داخل التجويف. يشكل هذا الوضع نمطًا ثابتًا من الضوء بين المرايا الموضوعة بالقرب من بعضها البعض، مما يخلق ظروفًا تسمح للذرات بالعمل بشكل جماعي بطرق لا تستطيع الذرات المعزولة القيام بها. أحد الأمثلة الأكثر إثارة للدهشة هو الإشعاع الفائق، وهو تأثير كمي منسق حيث تبعث مجموعة كبيرة من الذرات الضوء في تزامن تام، مما ينتج عنه انفجار أقوى بكثير مما قد يحدث بشكل فردي.

تفترض العديد من الدراسات النظرية أن التفاعل بين الضوء والمادة هو القوة المهيمنة في هذه الأنظمة. بموجب هذا الافتراض، غالبًا ما يتعامل الباحثون مع مجموعة الذرات بأكملها على أنها “ثنائي قطب عملاق” موحد، مرتبط بالتساوي بمجال التجويف. ينشئ هذا الحقل تفاعلات عبر المجموعة بأكملها كما لو كان كل منها ذرة كانت مرتبطة بجميع الآخرين.

يقول الدكتور جواو بيدرو ميندونسا، المؤلف الأول للمقال، والذي أكمل درجة الدكتوراه في كلية الفيزياء بجامعة وارسو ويعمل الآن كباحث في مركز التقنيات الجديدة بجامعة وارسو: “تعمل الفوتونات كوسيط يربط كل باعث بجميع الباعثات الأخرى داخل التجويف”.

ومع ذلك، في المواد الفعلية، تؤثر الذرات التي تجلس بالقرب من بعضها البعض أيضًا من خلال تفاعلات ثنائية القطب-ثنائية القطب قصيرة المدى والتي يتم تجاهلها كثيرًا. قام الباحثون بفحص ما يحدث عندما يتم تضمين هذه التأثيرات الجوهرية بين الذرة والذرة. تظهر النتائج التي توصلوا إليها أن هذه التفاعلات المحلية يمكن أن تضعف أو تقوي العمليات طويلة المدى التي تحركها الفوتونات، مما يؤثر بشكل مباشر على إمكانية حدوث الإشعاع الفائق. إن فهم هذه العلاقة أمر بالغ الأهمية لتفسير التجارب في الظروف التي يؤثر فيها الضوء والمادة بقوة على بعضهما البعض.

لماذا يعتبر التشابك مهمًا في فيزياء المادة الخفيفة

يلعب التشابك دورًا مركزيًا في كيفية استجابة الضوء والمادة معًا، ويربط سلوكهما بطرق دقيقة ولكن مهمة. وعلى الرغم من ذلك، فإن العديد من الأدوات التحليلية والعددية المستخدمة على نطاق واسع تتعامل مع الضوء والمادة كما لو أنهما منفصلان، مما يزيل هذا الارتباط من الصورة.

يشرح المؤلفون: “تعمل النماذج شبه الكلاسيكية على تبسيط مشكلة الكم إلى حد كبير، ولكن على حساب فقدان معلومات مهمة؛ فهي تتجاهل بشكل فعال التشابك المحتمل بين الفوتونات والذرات، وقد وجدنا أن هذا ليس تقديرًا تقريبيًا جيدًا في بعض الحالات”.

ولمعالجة هذه الفجوة، طور الفريق طريقة حسابية تتضمن التشابك بشكل واضح. يلتقط هذا النهج الارتباطات داخل المجموعة الذرية وبين الذرات والفوتونات. تظهر النتائج أن التفاعلات المحلية بين الباعثات القريبة يمكن أن تقلل من العتبة اللازمة للإشعاع الفائق. كما أنها تكشف عن حالة مرتبة تم التغاضي عنها والتي تظهر ميزات فائقة الإشعاع. وإجمالاً، يوضح العمل أن دمج التشابك ضروري لتحديد الحالات المحتملة التي يمكن أن تنشأ في أنظمة المادة الخفيفة بشكل كامل.

التأثير على تقنيات الطاقة الكمومية

وبعيدًا عن الاهتمام النظري، تعد منصات المادة الضوئية القائمة على التجويف أمرًا أساسيًا للعديد من التقنيات الكمومية المتطورة. أحد الأمثلة البارزة هو البطاريات الكمومية، والتي من المتوقع أن يتم شحنها وتفريغها بسرعة وكفاءة أكبر من خلال الاستفادة من السلوك الكمي الجماعي. يمكن لديناميكيات الإشعاع الفائق تسريع كلتا العمليتين، مما قد يؤدي إلى تعزيز الأداء العام لنقل الطاقة.

تشرح هذه الدراسة كيف تشكل التفاعلات الذرية قصيرة المدى هذه السلوكيات. ومن خلال تغيير الظروف المجهرية التي تدعم الإشعاع الفائق، تعمل هذه التفاعلات كمعلمات قابلة للتعديل لتحسين الشحن وتدفق الطاقة في المواد الحقيقية والتجاويف.

قال جواو بيدرو ميندونسا: “بمجرد الحفاظ على تشابك الضوء والمادة في النموذج، يمكنك التنبؤ متى سيتم شحن الجهاز بسرعة ومتى لن يتم شحنه. وهذا يحول تأثير أجسام متعددة إلى قاعدة تصميم عملية”. إن التحكم المماثل في الارتباطات بين الضوء والمادة له صلة أيضًا بالمنصات الأخرى، بما في ذلك الشبكات الكمومية وأجهزة الاستشعار الدقيقة.

التعاون الدولي وراء النتائج

وقد نشأ المشروع من خلال التعاون الوثيق بين العديد من المؤسسات. أكمل جواو بيدرو ميندونسا عدة زيارات بحثية إلى الولايات المتحدة، بدعم من برنامج “مبادرة التميز – جامعة الأبحاث” (IDUB) بجامعة وارسو والوكالة الوطنية البولندية للتبادل الأكاديمي (NAWA). ويؤكد الباحثون أن التعاون لعب دورًا رئيسيًا في تحقيق هذه النتائج. ويشير الفريق إلى أن “هذا مثال رائع على كيف يمكن للتنقل والتعاون الدوليين أن يفتحا الباب أمام تحقيق اختراقات”.

المرجع: “دور تفاعلات المادة في الظواهر فائقة الإشعاع” بقلم جواو بيدرو ميندونسا وكرزيستوف ياتشيمسكي وياو وانغ، 23 سبتمبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/z8gv-7yyk

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.