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.Breaking Quantum Boundaries: Atoms Defy Synchronization in Free Space

양자 경계 깨기: 원자는 자유 공간에서 동기화에 저항한다

연필 자유 공간 시스템

작성자: Kenna Hughes-Castleberry, JILA2024년 12월 28일

자유 공간 시스템 탄성 및 비탄성 구성 요소를 갖춘 광자 매개 상호 작용을 통해 상호 작용하는 얼어붙은 2단계 원자의 연필 모양의 초저온 가스. 연속적인 레이저 구동이 공명 시 원자를 여기시킵니다. 원자는 또한 자발적으로 자유 공간으로 광자를 방출합니다. 출처: Steven Burrows/Rey Group 및 JILA

광 공동 내의 초광도 현상은 공동 광자와 상호작용할 때 원자가 집단적으로 빛을 방출하는 현상으로, 동기화 문제로 인해 자유 공간에서는 아직 관찰되지 않았습니다. 연구자들은 이론적 시뮬레이션을 사용하여 다양한 조건에서 이러한 효과를 조사한 결과, 공동 및 자유 공간 시스템 간의 동작에 상당한 차이가 있음을 발견했습니다. 광 공동의 초광도 자유 공간의 고립된 원자는 각자의 속도로 독립적으로 에너지를 방출합니다.

반면, 광학 공동 내부에 배치되면 공동의 거울 사이를 반사하는 광자와 상호 작용합니다. 이 상호 작용으로 원자는 광자 방출을 동기화하여 집단적으로 일치하게 방사합니다. 이를 초광도라고 합니다. 놀랍게도 적당한 외부 레이저가 이러한 원자를 여기시키면 광 흡수와 집단 방출이 균형을 이루어 시스템이 유한한 여기 수준으로 안정된 상태로 안정될 수 있습니다. 그러나 레이저의 에너지가 특정 임계값을 넘으면 시스템의 동작이 극적으로 변합니다. 원자는 더 이상 들어오는 레이저 에너지를 따라잡을 만큼 빠르게 집단적으로 빛을 방출할 수 없습니다. 결과적으로 안정된 상태에 도달하지 않고도 지속적으로 광자를 방출하고 흡수합니다.

정상 상태 동작의 이러한 변화는 수십 년 전에 이론적으로 예측되었지만 아직 실험적 관찰을 통해 확인되지 않았습니다. 협업 및 이론적 통찰력 Laboratoire Charles Fabry와 파리의 Institut d'Optique에서 최근 실시한 연구에서는 자유 공간에서 길쭉한 연필 모양의 구름을 형성하는 원자 집합을 연구하고 이 원하는 상 전이의 잠재적 관찰을 보고했습니다. 그러나 이 연구의 결과는 자유 공간의 원자가 쉽게 동기화되지 않기 때문에 다른 실험가들을 당혹스럽게 했습니다. 이러한 결과를 더 잘 이해하기 위해 JILA 및 NIST 펠로우인 Ana Maria Rey와 그녀의 이론 팀은 국제 실험자 팀과 협력했습니다.

이론가들은 자유 공간의 원자가 방출을 부분적으로만 동기화할 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 자유 공간 실험이 초복사 위상 전이를 관찰하지 못했음을 시사합니다. 이러한 결과는 PRX Quantum 에 게재되었습니다 . 자유 공간 동기화의 과제 "현재 시뮬레이션은 실험 데이터를 재현할 수 있었고 현재 실험 조건에서 완전한 동기화가 일어날 수 없는 이유를 설명할 수 있었지만, 우리의 이론적 방법이 실패하고 대신 진정한 양자적 설명이 필요한 다른 조건과 더 높은 밀도에서 위상 전이가 일어날 수 있는지 여부는 여전히 의문입니다." 레이가 설명합니다.

물리학에서 복잡한 문제를 해결하려면 종종 이론가와 실험가의 공동 노력이 필요합니다. 이론가는 시스템이 어떻게 작동해야 하는지 예측하기 위해 수학적 모델과 시뮬레이션을 개발합니다. 반대로 실험가는 이러한 예측을 테스트하고 도전하기 위해 실험을 수행합니다. 이러한 협업은 추상적 아이디어와 관찰 가능한 현상 사이의 격차를 메우는 데 도움이 됩니다. 다양한 시스템에서 양자 상태 탐색 "사람들이 답하려고 하는 큰 질문 중 하나는 서로 다른 원자 시스템에서 얽힌 상태를 만드는 것이 가능한지 여부입니다." Rey의 그룹의 대학원생이자 논문의 첫 번째 저자인 Sanaa Agarwal이 설명합니다.

"공동 시스템에서는 이러한 집단적 전체 대 전체 상호 작용[원자가 일대일로 상호 작용]을 통해 가능하지만, 자유 공간에서는 아직 명확히 밝혀야 합니다." 공동 시스템은 원자를 특정 양자 상태로 유도하도록 미세 조정할 수 있습니다. 반면, 자유 공간 시스템은 덜 제어됩니다. "자유 공간에서는 상호작용 유도 주파수와 같은 많은 효과를 살펴볼 수 있습니다." Agarwal이 말했습니다.

"또한 공동 시스템으로만 주로 방출되는 것이 아니라 모든 가능한 방향으로 방출됩니다. 따라서 이러한 효과는 시스템의 물리 법칙을 바꿀 것으로 예상되며, 그래서 우리는 이를 조사하기 시작했고, 실제로는 상당히 다르다는 것을 발견했습니다." 자유 공간 시스템 시뮬레이션 특정한 자유공간 실험 조건은 관찰된 행동이 정말로 초방사 현상이었는지 아니면 우연의 일치였는지에 대한 의문을 제기했습니다. 이러한 질문에 답하기 위해 연구진은 각 원자를 쌍극자로 간주하고 레이저와 다른 원자에서 방출되는 빛으로부터 광자를 흡수하고 방출하는 모델을 사용하여 일련의 이론적 시뮬레이션을 수행했습니다.

"이것은 흥미로운 도전이었습니다. 캐비티에서는 접근 가능한 상태의 수가 선형적으로 증가하지만, 자유 공간에서는 시스템 크기에 따라 기하급수적으로 증가할 수 있기 때문입니다." 레이는 자세히 설명합니다. "많은 경우, 상호작용이 충분히 약해서 단순화된 처리가 가능하지만, 이 실험에서 그럴지 여부는 처음에는 명확하지 않았습니다." Argawal은 "우리는 모든 원자가 쌍극자처럼 작용하는 미시적 모델을 고려했고, 이를 사용하여 전체 원자 구름의 새로운 특성을 연구했습니다. 레이저 빔은 평면파로, 원자에 특정 위상 패턴을 각인하는데, 이는 원자가 어떻게 상호 작용하는지 결정하는 데 중요합니다."라고 덧붙였습니다.

연구진은 다양한 레이저 출력과 원자 밀도를 포함한 다양한 조건을 시뮬레이션하여 이러한 요소가 시스템의 동작에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았습니다. Rey는 "우리의 시뮬레이션은 원자를 고전적 자석으로 처리하여 복잡성을 크게 줄이는 '평균장 근사법'이 물리학을 재현하기에 충분하다는 것을 보여주었습니다."라고 말합니다. 이 모델은 일관된 결과를 보장하기 위해 더욱 복잡한 접근 방식으로 검증되었습니다. 실험 데이터로 이론 확인 "이론과 데이터를 비교했을 때, 그것이 일치할지 확신할 수 없었습니다." Agarwal이 말합니다. "일부 데이터는 실험 장비에 모호성이 적었기 때문에 비교하기가 비교적 쉬웠습니다.

그래서 우리의 발견이 그 결과와 일치했을 때, 우리가 하는 일이 합리적이라는 확신을 갖게 되었습니다." 연구자들은 시뮬레이션을 통해 자유 공간 실험이 공동 모델과 일치하지만 좁은 레이저 강도와 원자 밀도 범위 내에서 두 시스템은 일반적으로 매우 다르게 작동한다는 결론을 내렸습니다. 레이저 출력이 특정 임계값을 넘어 증가함에 따라 공동에서 초광도를 발생시킨 집단적 효과가 자유 공간으로 사라지고 원자는 조정된 그룹이 아닌 독립적인 방출체처럼 작동했습니다. 양자 현상에 대한 이해 증진 이러한 연구 결과는 양자 물리학에 새로운 연구 방향을 제시하며, 기본 물리학을 더 잘 이해하기 위해 실험과 이론을 융합하는 협업의 큰 가치를 입증합니다.

"우리의 시뮬레이션은 시스템이 희석되고 평균장 근사가 유효한 체제에서 실험적 관찰을 재현할 수 있었지만, 현재 이론 모델이 쓸모없게 되고 더 나은 처리가 필요한 새로운 체제를 연구하는 것은 매우 흥미로울 것입니다." 레이가 덧붙여 말했습니다. "우리 그룹은 계산을 개선하고 앞으로 나올 새로운 흥미로운 측정에 대비할 방법을 모색할 것입니다."

참고 자료: Sanaa Agarwal, Edwin Chaparro, Diego Barberena, A. Piñeiro Orioli, G. Ferioli, S. Pancaldi, I. Ferrier-Barbut, A. Browaeys 및 AM Rey의 "자유 공간에서 구동된 초저온 원자 가스의 방향성 초복사" , 2024년 12월 3일, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.040335 본 연구는 JILA 물리학 프런티어 센터(PFC), 미국 에너지부 과학국, 국가 양자 정보 과학 연구 센터의 양자 시스템 가속기, 국가 표준 기술 연구소(NIST)의 지원을 받았습니다.

https://scitechdaily.com/breaking-quantum-boundaries-atoms-defy-synchronization-in-free-space/

B메모 2412290134 소스1.분석중_【】

1.
양자 경계 깨기: [1]원자는 자유 공간에서 동기화에 저항한다.?]

탄성 및 비탄성 구성 요소를 갖춘 광자 매개 상호 작용을 통해 상호 작용하는 얼어붙은 2단계 원자의 연필 모양의 초저온 가스. 연속적인 레이저 구동이 공명시 원자를 여기(흥분.들듦)시킨다. 원자는 또한 자발적으로 자유 공간으로 광자를 방출한다.

광 공동 내의 초광도 현상은 공동 광자와 상호작용할 때 원자가 집단적으로 빛을 방출하는 현상으로, 동기화 문제로 인해 자유 공간에서는 아직 관찰되지 않았다.

_[1】레이저 내부의 상황은 원자가 공동광자 양자적. qpeoms와 원자적 msqpeo와 매칭 동기화 문제에서 자유공간이 존재를 아직 생각치 못했다. 하지만 부분과 전체는 양쪽에도 존재하고 매칭이란 만나지 못한 부분들, 반발하는 함의도 있어서 반드시 msbase가 qpeoms에 동기화 매칭 되어야 할 필수적인 사안 아닐 수도 있다. 어허.

ㅡ연구자들은 이론적 시뮬레이션을 사용하여 다양한 조건에서 이러한 효과를 조사한 결과, 공동 및 자유 공간 시스템 간의 동작에 상당한 차이가 있음을 발견했다.

1-1.광 공동의 초광도
[1-1]자유 공간의 고립된 원자는 각자의 속도로 독립적]으로 에너지를 방출한다. 반면, 광학 공동 내부]에 배치되면 공동의 거울 사이를 반사하는 광자]와 상호 작용한다.

_[1-1】원자가 광학 공동내에 존재할 때, 비로소 광자와 상호작용한다? 원자는 mcell 1구역이다. 광자 qpeoms 다중구역이다. mcell이 원자가 광자 공동에 들어가는 이유로 msbase가 된듯 하다. A.원자, B.mcell, C.qpeoms 각자 개체이면 A는B에 들어가야만 C와 상호작용한다는 뜻?? 같다. 그러면 A는 도대체 어떤 상태로 있는건가? 어디에 있는거야? 이는 쿼크의 조합으로 양성자와 중성자가 존재하는 원자핵을 가지고 전자궤도를 지닌 상태...이는 sms.oms.vix.ain의 키랄 손대칭 회전체 궤도의 개체 모드일 수도 있다. 전자는 궤도를 돌고 원자핵은 중심에 있는 dbr.ain? 그안에 양성자와 중성자가 있다? 그게 뭘까? oser? msoser?

[1']]이 상호 작용으로 원자는 광자 방출을 동기화]하여 집단적으로 일치하게 방사한다. 이를 초광도]라고 한다. 놀랍게도 적당한 외부 레이저가 이러한 원자를 여기시키면 광 흡수와 집단 방출이 ]균형을 이루어 시스템이 유한한 여기 수준으로 안정된 상태로 안정될 수 있다.
_[1'】레이져의 원리를 mass 원자와 mcell.msbase, 그리고 양자상태인 qpeoms의 상관관계로 설명할 수 있는듯 하다. 그런 의미에서 msbase.mass의 광자방출 초광도 헌상은 일종에 레이저 현상일 수도 있음이여. 어허. msbase가 굵은 레이저 빛을 낸다면 광자가 1조개가 스타트하여 1000경 nk2 전반사 동기화를 이룬 초신성 펄사가 아닌감 싶네?? 허허. 아주좋아 땡규..OK!!으음.

1-2.
그러나 레이저의 에너지가 특정 임계값을 넘으면 시스템의 동작이 극적으로 변한다. [1-2]원자는 더 이상 들어오는 레이저 에너지를 따라잡을 만큼 빠르게 집단적]으로 빛을 방출할 수 없다.]

결과적으로 안정된 상태에 도달하지 않고도 지속적으로 광자를 방출하고 흡수한다. 정상 상태 동작의 이러한 변화는 수십 년 전에 이론적으로 예측되었지만 아직 실험적 관찰을 통해 확인되지 않았다.

_[1_2】글게 말이다. 만득아! 누나 죽나봐..어허.끝났데..원자가 적적산 nk2 고택골을 벗어나지 못했어. 관짝에 누나 들어가면 너는 따라오지마! 나 졸려! 어허.
원자가 더 없으면 지속적으로 레이저가 발생하지 않아. 그건 그래..으음. 그런데 qpeoms는 어디서 원자를 그렇게 마구 집단으로 구해올까? 암흑에너지 qms.qvixer? 그렇지. 좀 이해가 되네!

2.협업 및 이론적 통찰력
최근 실시한 연구에서는 자유 공간에서 길쭉한 연필 모양의 구름을 형성하는 원자 집합을 연구하고 이 원하는 상 전이의 잠재적 관찰을 보고했다. 그러나 이 연구의 결과는 자유 공간의 원자가 쉽게 동기화되지 않기 때문에 다른 실험가들을 당혹스럽게 했다.

이론가들은 자유 공간의 원자가 방출을 부분적으로만 동기화할 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 자유 공간 실험이 초복사 위상 전이를 관찰하지 못했음을 시사한다.

2-1.자유 공간 동기화의 과제
현재 시뮬레이션은 실험 데이터를 재현할 수 있었고 현재 실험 조건에서 완전한 동기화가 일어날 수 없는 이유를 설명할 수 있었지만, 우리의 이론적 방법이 실패하고 대신 진정한 양자적 설명이 필요한 다른 조건과 더 높은 밀도에서 위상 전이가 일어날 수 있는지 여부는 여전히 의문이다.

B
물리학에서 복잡한 문제를 해결하려면 종종 이론가와 실험가의 공동 노력이 필요하다.

이론가는 시스템이 어떻게 작동해야 하는지 예측하기 위해 수학적 모델과 시뮬레이션을 개발한다.
반대로 실험가는 이러한 예측을 테스트하고 도전하기 위해 실험을 수행한다.

이러한 협업은 추상적 아이디어와 관찰 가능한 현상 사이의 격차를 메우는 데 도움이 됩니다.

b1.다양한 시스템에서 양자 상태 탐색
사람들이 답하려고 하는 큰 질문 중 하나는 서로 다른 원자 시스템에서 얽힌 상태를 만드는 것이 가능한지 여부이다. 공동 시스템에서는 이러한 집단적 전체 대 전체 상호 작용[원자가 일대일로 상호 작용]을 통해 가능하지만, 자유 공간에서는 아직 명확히 밝혀야 한다.
_[b1】mcell은 msbase의 단위이다. 집단상태로 존재하는 국지적 개체이다. 하지만 공동 시스템에 귀속된 숫자 1과도 같다. 100은 1이 100개 있는 순서수 위치를 가진다. 이것을 나는 mcell위에 쌓인 1이 100개 모인 중첩으로 해석한다.

b2.
공동 시스템은 원자를 특정 양자 상태로 유도하도록 미세 조정할 수 있다. 반면, 자유 공간 시스템은 덜 제어된다.
자유 공간에서는 상호작용 유도 주파수와 같은 많은 효과를 살펴볼 수 있다.

또한 공동 시스템으로만 주로 방출되는 것이 아니라 모든 가능한 방향으로 방출한다. 따라서 이러한 효과는 시스템의 물리 법칙을 바꿀 것으로 예상되며, 그래서 우리는 이를 조사하기 시작했고, 실제로는 상당히 다르다는 것을 발견했다.

b3.자유 공간 시스템 시뮬레이션
특정한 자유공간 실험 조건은 관찰된 행동이 정말로 초방사 현상이었는지 아니면 우연의 일치였는지에 대한 의문을 제기했다.

이러한 질문에 답하기 위해 연구진은 각 원자를 쌍극자로 간주하고 레이저와 다른 원자에서 방출되는 빛으로부터 광자를 흡수하고 방출하는 모델을 사용하여 일련의 이론적 시뮬레이션을 수행했다.

이것은 흥미로운 도전이었다. 캐비티에서는 접근 가능한 상태의 수가 선형적으로 증가하지만, 자유 공간에서는 시스템 크기에 따라 기하급수적으로 증가할 수 있기 때문이다. 많은 경우, 상호작용이 충분히 약해서 단순화된 처리가 가능하지만, 이 실험에서 그럴지 여부는 처음에는 명확하지 않았다.

모든 원자가 쌍극자처럼 작용하는 미시적 모델을 고려했고, 이를 사용하여 전체 원자 구름의 새로운 특성을 연구했다. 레이저 빔은 평면파로, 원자에 특정 위상 패턴을 각인하는데, 이는 원자가 어떻게 상호 작용하는지 결정하는 데 중요하다.

b3-1.
연구진은 다양한 레이저 출력과 원자 밀도를 포함한 다양한 조건을 시뮬레이션하여 이러한 요소가 시스템의 동작에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았다.

시뮬레이션은 원자를 고전적 자석으로 처리하여 복잡성을 크게 줄이는 '평균장 근사법'이 물리학을 재현하기에 충분하다는 것을 보여주었다. 이 모델은 일관된 결과를 보장하기 위해 더욱 복잡한 접근 방식으로 검증되었다.

b3-2.실험 데이터로 이론 확인
이론과 데이터를 비교했을 때, 그것이 일치할지 확신할 수 없었다. 일부 데이터는 실험 장비에 모호성이 적었기 때문에 비교하기가 비교적 쉬웠다. 그래서 우리의 발견이 그 결과와 일치했을 때, 우리가 하는 일이 합리적이라는 확신을 갖게 되었다.

b4.
연구자들은 시뮬레이션을 통해 자유 공간 실험이 공동 모델과 일치하지만 [b4]좁은 레이저 강도와 원자 밀도 범위 내에서 두 시스템은 일반적으로 매우 다르게] 작동한다는 결론을 내렸다.

레이저 출력이 특정 임계값을 넘어 증가함에 따라 공동에서 초광도를 발생시킨 집단적 효과가 자유 공간으로 사라지고 원자는 조정된 그룹이 아닌 독립적인 방출체처럼 작동했다.

_[b4】이론이 실험환경에 따라 다르게 변수를 나타낸다. 실험이 좁은 레이저 아래의 국지적인 환경에서 원자나 아원자들의 모습을 mcell로 보듯 더 깊게 조망할 수 있어도 원자나 아원자인 광자나 전자를 국지 내적인 qpeoms.msbase.oser.br.ain이 아닌 상태로 독립적인 방출체 처럼 행동하는 것을 이해하려면 더 넓은 외적 qpeoms가 필요해진다. 어허.


b5.양자 현상에 대한 이해 증진
이러한 연구 결과는 양자 물리학에 새로운 연구 방향을 제시하며, 기본 물리학을 더 잘 이해하기 위해 실험과 이론을 융합하는 협업의 큰 가치를 입증한다.

시뮬레이션은 시스템이 희석되고 평균장 근사가 유효한 체제에서 실험적 관찰을 재현할 수 있었지만, 현재 이론 모델이 쓸모없게 되고 더 나은 처리가 필요한 새로운 체제를 연구하는 것은 매우 흥미로울 것이댜. 계산을 개선하고 앞으로 나올 새로운 흥미로운 측정에 대비할 방법을 모색할 것이다.

B memo 2412290134 Source 1. Analysis_【】

1.
Breaking the quantum boundary: [1] Atoms resist synchronization in free space.?]

A pencil-shaped ultra-cold gas of frozen two-stage atoms interacting through photon-mediated interactions with elastic and inelastic components. Continuous laser driving excites the atoms at resonance. The atoms also spontaneously emit photons into free space.

The phenomenon of superluminescence in an optical cavity is a phenomenon in which atoms collectively emit light when interacting with cavity photons, and has not yet been observed in free space due to the synchronization problem.

_[1] The situation inside the laser is that atoms are quantum. In the synchronization problem of qpeoms and atomic msqpeo, the existence of free space has not yet been considered. However, parts and wholes exist on both sides, and matching implies parts that do not meet, repulsive implications, so it may not necessarily be an essential matter that msbase must be synchronized to qpeoms. Oh.

-Researchers have investigated these effects under various conditions using theoretical simulations, and found that there are significant differences in behavior between cavity and free-space systems.

1-1. Superluminescence of an optical cavity
[1-1] Isolated atoms in free space emit energy independently at their own speeds. On the other hand, when placed inside an optical cavity, they interact with photons that reflect between the mirrors of the cavity.

_[1-1] When atoms exist in an optical cavity, do they interact with photons? Atoms are mcell 1-zone. Photons qpeoms are multi-zones. It seems that mcell became msbase because atoms enter the photon cavity. If A. atom, B. mcell, and C. qpeoms are each individuals, does that mean that A must enter B to interact with C?? Then what exactly is A in? Where is it? This is a state where there is a nucleus with protons and neutrons as a combination of quarks and has an electron orbit... This could be an individual mode of the chiral hand-symmetrical rotational orbit of sms.oms.vix.ain. The electrons orbit and the nucleus is in the center dbr.ain? There are protons and neutrons inside it? What is it? oser? msoser?

[1']]This interaction causes the atoms to synchronize their photon emission and collectively radiate in unison. This is called superluminescence. Surprisingly, when a suitable external laser excites these atoms, the light absorption and collective emission are balanced, and the system can stabilize to a stable state with a finite excitation level.
_[1'] It seems that the principle of the laser can be explained by the correlation between the mass atom, mcell.msbase, and the quantum state qpeoms. In that sense, the superluminescence of the photon emission of msbase.mass could be a kind of laser phenomenon. Oh. If msbase emits thick laser light, isn't it a supernova pulsar where 1 trillion photons start and achieve 1000 quintillion nk2 total reflection synchronization?? Hehe. Very good, thank you.. OK!! Hmm.

1-2.
However, when the energy of the laser exceeds a certain threshold, the behavior of the system changes dramatically. [1-2] The atoms can no longer collectively emit light fast enough to catch up with the incoming laser energy.]

As a result, they continuously emit and absorb photons without reaching a stable state. This change in steady-state behavior was theoretically predicted decades ago, but has not yet been confirmed through experimental observation.

_[1_2】 That's right. Mandeuk! Sister, you're dying.. Oh, my. It's over.. The atoms haven't left the nk2 Gotakgol in Jeokjeoksan. If you go into the coffin, don't follow me! I'm sleepy! Oh, my.
If there are no more atoms, the laser won't be continuously generated. That's right.. Hmm. But where does qpeoms get such a large number of atoms? Dark energy qms.qvixer? Yes. It makes sense!

2. Collaboration and theoretical insight
A recent study studied a collection of atoms forming an elongated pencil-shaped cloud in free space and reported the potential observation of this desired phase transition. However, the results of this study puzzled other experimentalists because the atoms in free space are not easily synchronized.

Theorists found that atoms in free space can only partially synchronize their emission, suggesting that free-space experiments have failed to observe the superradiant phase transition.

2-1. Challenges of free-space synchronization
Current simulations have been able to reproduce experimental data and explain why complete synchronization cannot occur under current experimental conditions, but it remains an open question whether the phase transition can occur under other conditions and at higher densities where our theoretical methods fail and a truly quantum explanation is needed instead.

B
Solving complex problems in physics often requires joint efforts of theoreticians and experimentalists.

Theorists develop mathematical models and simulations to predict how systems should behave.

In contrast, experimentalists perform experiments to test and challenge these predictions.

This collaboration helps bridge the gap between abstract ideas and observable phenomena.

b1. Exploring Quantum States in Different Systems

One of the big questions people are trying to answer is whether it is possible to create entangled states in different atomic systems. In a co-system, this is possible through collective whole-to-whole interactions [atoms interact one-to-one], but in free space it is still unclear.
_[b1] mcell is a unit of msbase. It is a localized entity that exists in a collective state. However, it is also like the number 1 that belongs to a co-system. 100 has an ordinal position of 100 1s. I interpret this as a superposition of 100 1s stacked on top of an mcell.

b2.
A co-system can be fine-tuned to drive atoms into specific quantum states. In contrast, a free-space system is less controlled. In free space, we can see many effects, such as interaction-induced frequencies.

Also, they are not only emitted primarily in the cavity system, but also in all possible directions. Therefore, these effects are expected to change the physical laws of the system, so we started to investigate them, and found that they are actually quite different.

b3. Free-space system simulations

The specific free-space experimental conditions raised the question of whether the observed behavior was truly superradiative or just a coincidence.

To answer this question, the researchers performed a series of theoretical simulations using a model where each atom is considered a dipole, absorbing and emitting photons from light emitted by a laser and other atoms.

This was an interesting challenge, because while in a cavity the number of accessible states increases linearly, in free space it can increase exponentially with the size of the system. In many cases, the interactions are sufficiently weak to allow for a simplified treatment, but it was not initially clear whether this would be the case in this experiment.

We considered a microscopic model where all atoms behave like dipoles, and used this to study new properties of the entire atomic cloud. The laser beam is a plane wave that imprints a specific phase pattern on the atoms, which is important in determining how the atoms interact.

b3-1.
The researchers simulated a variety of conditions, including different laser powers and atomic densities, to see how these factors affect the behavior of the system.

The simulations showed that a 'mean-field approximation', which treats the atoms as classical magnets and greatly reduces complexity, was sufficient to reproduce the physics. The model was then verified with a more complex approach to ensure consistent results.

b3-2. Confirming the theory with experimental data
When we compared the theory with the data, we were not sure if they would match. Some of the data were relatively easy to compare because the experimental equipment had less ambiguity. So when our findings matched those results, we were confident that what we were doing was reasonable.

b4.
The researchers concluded from their simulations that the free-space experiments were consistent with the cavity model, but [b4] within a narrow range of laser powers and atomic densities, the two systems generally behaved very differently. As the laser power increases beyond a certain threshold, the collective effect that generated the superluminescence in the cavity disappears into free space, and the atoms behave as independent emitters rather than as a coordinated group.

_[b4] Theory shows variables differently depending on the experimental environment. Although experiments can provide a deeper view of the atoms and subatomics in the local environment under the narrow laser as if they were mcells, a wider external qpeoms is needed to understand how the atoms and subatomic photons and electrons behave as independent emitters rather than as local internal qpeoms.msbase.oser.br.ain. Oh.

b5. Improving understanding of quantum phenomena
These research results suggest a new direction for quantum physics and demonstrate the great value of collaboration that combines experiment and theory to better understand fundamental physics.

The simulations were able to reproduce experimental observations in regimes where the system is diluted and the mean-field approximation is valid, but it would be very interesting to study new regimes where current theoretical models become useless and better handling is needed. We will explore ways to improve our calculations and prepare for exciting new measurements that will come in the future.

 

 

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