Superradiance - Superradiance

Em física , superradiância são os efeitos de intensificação da radiação em vários contextos, incluindo mecânica quântica , astrofísica e relatividade .

Óptica quântica

Na falta de um termo melhor, um gás que irradia fortemente por causa da coerência será chamado de "superradiante".

-  Robert H. Dicke , 1954,

Na óptica quântica , a superradiância é um fenômeno que ocorre quando um grupo de N emissores, como átomos excitados, interage com um campo de luz comum. Se o comprimento de onda da luz é muito maior do que a separação dos emissores, então os emissores interagem com a luz de maneira coletiva e coerente. Isso faz com que o grupo emita luz como um pulso de alta intensidade (com taxa proporcional a N 2 ). Este é um resultado surpreendente, drasticamente diferente do declínio exponencial esperado (com taxa proporcional a N ) de um grupo de átomos independentes (ver emissão espontânea ). Superradiância já foi demonstrada numa ampla variedade de sistemas físicas e químicas, tais como ponto quântico matrizes e J-agregados . Este efeito foi usado para produzir um laser superradiante .

Superradiance rotacional

A superradiância rotacional está associada à aceleração ou movimento de um corpo próximo (que fornece a energia e o momento para o efeito). Às vezes também é descrito como a consequência de um diferencial de campo "efetivo" ao redor do corpo (por exemplo, o efeito das forças das marés ). Isso permite que um corpo com uma concentração de momento angular ou linear se mova para um estado de energia inferior, mesmo quando não há nenhum mecanismo clássico óbvio para que isso aconteça. Nesse sentido, o efeito tem algumas semelhanças com o tunelamento quântico (por exemplo, a tendência das ondas e partículas de "encontrarem uma forma" de explorar a existência de um potencial energético, apesar da ausência de um óbvio mecanismo clássico para que isso aconteça).

  • Na física clássica , normalmente se espera que o movimento ou rotação de um corpo em um meio particulado resulte em momentum e energia sendo transferidos para as partículas circundantes, e há então uma probabilidade estatística aumentada de partículas serem descobertas seguindo trajetórias que implicam na remoção de impulso do corpo.
  • Na mecânica quântica , este princípio é estendido ao caso de corpos se movendo, acelerando ou girando no vácuo - no caso quântico , as flutuações quânticas com vetores apropriados são esticadas e distorcidas e fornecidas com energia e momentum pelo movimento do corpo próximo , com essa amplificação seletiva gerando radiação física real em todo o corpo.

Onde uma descrição clássica de uma esfera sem peso isolada girando no vácuo tenderá a dizer que a esfera continuará a girar indefinidamente, devido à falta de efeitos de fricção ou qualquer outra forma de acoplamento óbvio com seu ambiente vazio e liso, sob a mecânica quântica o A região circundante do vácuo não é inteiramente lisa, e o campo da esfera pode se acoplar às flutuações quânticas e acelerá-las para produzir radiação real. Frentes de onda virtuais hipotéticas com caminhos apropriados ao redor do corpo são estimuladas e amplificadas em frentes de onda físicas reais pelo processo de acoplamento. As descrições às vezes se referem a essas flutuações "estimulando" o campo para produzir o efeito.

Em estudos teóricos de buracos negros, o efeito às vezes também é descrito como a consequência das forças de maré gravitacionais em torno de um corpo gravitando fortemente separando pares de partículas virtuais que, de outra forma, se aniquilariam mutuamente, para produzir uma população de partículas reais na região fora do horizonte.

A bomba do buraco negro é uma instabilidade que cresce exponencialmente na interação entre um campo bosônico massivo e um buraco negro em rotação.

Astrofísica e relatividade

Na astrofísica , um exemplo potencial de superradiância é a radiação de Zel'dovich . Foi Yakov Zel'dovich quem primeiro descreveu esse efeito em 1971, Igor Novikov , da Universidade de Moscou, desenvolveu ainda mais a teoria. Yakov Borisovich Zel'dovich escolheu o caso sob eletrodinâmica quântica ("QED"), onde a região ao redor do equador de uma esfera de metal girando é esperado para lançar radiação eletromagnética tangencialmente , e sugeriu que o caso de uma massa gravitacional giratória, como um O buraco negro de Kerr deve produzir efeitos de acoplamento semelhantes e deve irradiar de maneira análoga .

Isso foi seguido por argumentos de Stephen Hawking e outros de que um observador acelerado perto de um buraco negro (por exemplo, um observador cuidadosamente abaixado em direção ao horizonte na extremidade de uma corda) deveria ver a região habitada por radiação "real", enquanto que para um distante observador, esta radiação seria considerada "virtual". Se o observador acelerado perto do horizonte de eventos captura uma partícula próxima e a joga para o observador distante para captura e estudo, então para o observador distante, o aparecimento da partícula pode ser explicado dizendo que a aceleração física da partícula mudou de uma partícula virtual em uma partícula "real" (veja radiação Hawking ).

Argumentos semelhantes se aplicam aos casos de observadores em quadros acelerados ( radiação de Unruh ). A radiação Cherenkov , radiação eletromagnética emitida por partículas carregadas viajando através de um meio particulado a mais do que a velocidade nominal da luz nesse meio, também foi descrita como "superradiância de movimento inercial".

Exemplos adicionais de superradiance em ambientes astrofísicos incluem o estudo de erupções de radiação em regiões de hospedagem de radiação e rajadas de rádio rápidas. Evidências de superradiância nessas configurações sugerem a existência de emissões intensas de estados mecânicos quânticos emaranhados, envolvendo um grande número de moléculas, ubiquamente presentes em todo o universo e abrangendo grandes distâncias (por exemplo, de alguns quilômetros no meio interestelar a possivelmente mais de vários bilhões quilômetros).

Veja também

Referências