Superradiancia

En física , la superradiancia , la dispersión superradiante o la superradiación son los efectos de mejora de la radiación en varios contextos, incluidos la mecánica cuántica , la astrofísica y la relatividad .

A falta de un término mejor, un gas que irradia fuertemente debido a la coherencia se denominará "superradiante".

En óptica cuántica , la superradiancia es un fenómeno que ocurre cuando un grupo de N emisores, como átomos excitados, interactúan con un campo de luz común. Si la longitud de onda de la luz es mucho mayor que la separación de los emisores, ^{[ 2 ]} entonces los emisores interactúan con la luz de manera colectiva y coherente. ^{[ 3 ]} Esto hace que el grupo emita luz como un pulso de alta intensidad (con una tasa proporcional a N² ^{) . Este es un resultado sorprendente, drásticamente diferente de la} desintegración exponencial esperada (con una tasa proporcional a N ) de un grupo de átomos independientes (véase emisión espontánea ).

Desde entonces , se ha demostrado la superradiancia en una amplia variedad de sistemas físicos y químicos, como matrices de puntos cuánticos ^{[ 4 ]} y agregados J. ^{[ 5 ]} Este efecto se ha utilizado para producir un láser superradiante .

La superabsorción es un fenómeno óptico en el que un sistema de átomos o moléculas absorbe energía a una velocidad significativamente mayor a medida que aumenta el tamaño del sistema, de forma análoga a como la superradiancia escala con el tamaño. Originalmente propuesta como un efecto que la nanotecnología podría aprovechar para crear detectores de fotones o transmisión de potencia lumínica, ^{[ 6 ]} la superabsorción se ha realizado experimentalmente como una inversión temporal de la superradiancia. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Se ha demostrado la superabsorción en una microcavidad orgánica utilizando moléculas del colorante naranja Lemogeb-F, mostrando tasas de absorción y carga de energía superextensas con posibles aplicaciones a una batería cuántica . ^{[ 9 ]}

La superradiancia rotacional ^{[ 10 ]} se asocia con la aceleración o el movimiento de un cuerpo cercano (que proporciona la energía y el momento para el efecto). A veces también se describe como la consecuencia de un diferencial de campo "efectivo" alrededor del cuerpo (por ejemplo, el efecto de las fuerzas de marea ). Esto permite que un cuerpo con una concentración de momento angular o lineal se mueva hacia un estado de energía inferior, incluso cuando no existe un mecanismo clásico obvio para que esto ocurra. En este sentido, el efecto tiene algunas similitudes con el efecto túnel cuántico (por ejemplo, la tendencia de las ondas y las partículas a "encontrar la manera" de explotar la existencia de un potencial de energía, a pesar de la ausencia de un mecanismo clásico obvio para que esto ocurra).

• En la física clásica , se espera que el movimiento o la rotación de un cuerpo en un medio particulado dé como resultado la transferencia de momento y energía a las partículas circundantes, y entonces existe una mayor probabilidad estadística de que se descubran partículas que siguen trayectorias que implican la eliminación de momento del cuerpo.
• En mecánica cuántica , este principio se extiende al caso de cuerpos que se mueven, aceleran o rotan en el vacío ; en el caso cuántico, se dice que las fluctuaciones cuánticas con vectores apropiados se estiran y distorsionan, y se les proporciona energía e impulso por el movimiento del cuerpo cercano, y esta amplificación selectiva genera radiación física real alrededor del cuerpo.

Mientras que una descripción clásica de una esfera aislada y sin peso que gira en el vacío tiende a afirmar que la esfera seguirá girando indefinidamente, debido a la ausencia de efectos de fricción o cualquier otra forma de acoplamiento evidente con su entorno liso y vacío, en la mecánica cuántica la región circundante del vacío no es completamente lisa, y el campo de la esfera puede acoplarse con las fluctuaciones cuánticas y acelerarlas para producir radiación real. Hipótesis frentes de onda virtuales con trayectorias apropiadas alrededor del cuerpo son estimuladas y amplificadas en frentes de onda físicos reales por el proceso de acoplamiento. En ocasiones, las descripciones se refieren a estas fluctuaciones como si "cosquillearan" el campo para producir el efecto.

En astrofísica , un ejemplo potencial de superradiancia es la radiación de Zeldovich . ^{[ 11 ]} Fue Yakov Zeldovich quien describió por primera vez este efecto en 1971; ^{[ 12 ]} Igor Novikov en la Universidad de Moscú desarrolló aún más la teoría. Zeldovich eligió el caso bajo electrodinámica cuántica (QED) donde se espera que la región alrededor del ecuador de una esfera metálica giratoria emita radiación electromagnética tangencialmente , y sugirió que el caso de una masa gravitacional giratoria, como un agujero negro de Kerr, debería producir efectos de acoplamiento similares y debería irradiar de manera análoga .

A esto le siguieron los argumentos de Stephen Hawking y otros de que un observador acelerado cerca de un agujero negro (por ejemplo, un observador cuidadosamente descendido hacia el horizonte al final de una cuerda) debería ver la región habitada por radiación "real", mientras que para un observador distante esta radiación se consideraría "virtual". Si el observador acelerado cerca del horizonte de sucesos atrapa una partícula cercana y la lanza hacia el observador distante para su captura y estudio, entonces para el observador distante, la apariencia de la partícula puede explicarse diciendo que la aceleración física de la partícula la ha convertido de una partícula virtual en una partícula "real" ^{[ 13 ]} (véase radiación de Hawking ).

Argumentos similares se aplican a los casos de observadores en sistemas de referencia acelerados ( radiación de Unruh ). La radiación Cherenkov , radiación electromagnética emitida por partículas cargadas que viajan a través de un medio particulado a una velocidad superior a la velocidad nominal de la luz en dicho medio, también se ha descrito como "superradiancia de movimiento inercial". ^{[ 10 ]}

Otros ejemplos de superradiancia en entornos astrofísicos incluyen el estudio de llamaradas de radiación en regiones que albergan máseres ^{[ 14 ] [ 15 ]} y ráfagas de radio rápidas . ^{[ 16 ]} La evidencia de superradiancia en estos entornos sugiere la existencia de emisiones intensas de estados mecánicos cuánticos entrelazados, que involucran una gran cantidad de moléculas, presentes de forma ubicua en todo el universo y que abarcan grandes distancias (por ejemplo, desde unos pocos kilómetros en el medio interestelar ^{[ 17 ]} hasta posiblemente más de varios miles de millones de kilómetros ^{[ 16 ]} ).

Instrumentos que utilizan emisión superradiante.

• Láser de electrones libres (FEL)
• Láseres de nitrógeno que utilizan excitación transversal a presión atmosférica (TEA) ^{[ 18 ]}
• Láser de infrarrojo lejano (FIR) ^{[ 19 ]}
• El ondulador permite obtener la emisión superradiante. ^{[ 20 ]}

• Modelo Dicke
• Estado de Dicke
• Emisión espontánea
• Transición de fase superradiante
• Superradiancia en óptica de semiconductores
• Efecto Unruh