En física , la superradiancia son los efectos de mejora de la radiación en varios contextos, incluida la mecánica cuántica , la astrofísica y la relatividad .
Óptica cuántica
A falta de un término mejor, un gas que irradia fuertemente debido a la coherencia se llamará "superradiante".
- Robert H. Dicke , 1954, [1]
En óptica cuántica , la superradiancia es un fenómeno que ocurre cuando un grupo de emisores de N , como los 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, los emisores interactúan con la luz de forma colectiva y coherente. [2] Esto hace que el grupo emita luz como un pulso de alta intensidad (con una frecuencia proporcional a N 2 ). Este es un resultado sorprendente, drásticamente diferente de la desintegración exponencial esperada (con una tasa proporcional a N ) de un grupo de átomos independientes (ver emisión espontánea ). Superradiancia desde entonces ha sido demostrada en una amplia variedad de sistemas físicos y químicos, tales como puntos cuánticos arrays [3] y J-agregados . [4] Este efecto se ha utilizado para producir un láser superradiante .
Superradiancia rotacional
La superradiancia rotacional [5] está asociada con la aceleración o el movimiento de un cuerpo cercano (que suministra la energía y el impulso 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 las mareas ). Esto permite que un cuerpo con una concentración de momento angular o lineal se mueva hacia un estado de menor energía, incluso cuando no existe un mecanismo clásico obvio para que esto suceda. En este sentido, el efecto tiene algunas similitudes con el túnel cuántico (por ejemplo, la tendencia de ondas y partículas a "encontrar una forma" de explotar la existencia de un potencial energético, a pesar de la ausencia de un mecanismo clásico obvio para que esto suceda).
- En la física clásica , normalmente se espera que el movimiento o la rotación de un cuerpo en un medio particulado dé como resultado la transferencia de impulso y energía a las partículas circundantes, y entonces existe una mayor probabilidad estadística de que se descubran partículas siguiendo trayectorias que implican la eliminación de impulso del cuerpo.
- En la mecánica cuántica , este principio se extiende al caso de los 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. , con esta amplificación selectiva generando radiación física real alrededor del cuerpo.
Donde una descripción clásica de una esfera ingrávida aislada giratoria en el vacío tenderá a decir que la esfera continuará girando indefinidamente, debido a la falta de efectos de fricción o cualquier otra forma de acoplamiento obvio con su entorno suave y vacío, bajo la mecánica cuántica el La región de vacío circundante no es del todo suave, y el campo de la esfera puede acoplarse con fluctuaciones cuánticas y acelerarlas para producir radiación real. Los frentes de ondas virtuales hipotéticos con trayectorias apropiadas alrededor del cuerpo se estimulan y amplifican en frentes de ondas físicos reales mediante el proceso de acoplamiento. Las descripciones a veces se refieren a estas fluctuaciones que "hacen cosquillas" en el campo para producir el efecto.
En estudios teóricos de agujeros negros, el efecto también se describe a veces como la consecuencia de las fuerzas de marea gravitacionales alrededor de un cuerpo fuertemente gravitante que separa pares de partículas virtuales que de otro modo se aniquilarían mutuamente rápidamente, para producir una población de partículas reales en la región fuera de la región. horizonte.
La bomba del agujero negro es una inestabilidad que crece exponencialmente en la interacción entre un campo bosónico masivo y un agujero negro en rotación.
Astrofísica y relatividad
En astrofísica , un ejemplo potencial de superradiancia es la radiación de Zel'dovich . [6] Fue Yakov Zel'dovich quien describió por primera vez este efecto en 1971, [7] Igor Novikov en la Universidad de Moscú desarrolló aún más la teoría. Yakov Borisovich Zel'dovich eligió el caso de la electrodinámica cuántica ("QED") donde se espera que la región alrededor del ecuador de una esfera metálica giratoria arroje radiación electromagnética tangencialmente , y sugirió que el caso de una masa gravitacional giratoria, como una El agujero negro de Kerr debería producir efectos de acoplamiento similares y debería irradiar de forma análoga .
Esto fue seguido por los argumentos de Stephen Hawking y otros de que un observador acelerado cerca de un agujero negro (por ejemplo, un observador cuidadosamente bajado hacia el horizonte al final de una cuerda) debería ver la región habitada por radiación "real", mientras que para una distancia distante observador, se diría que esta radiación es "virtual". Si el observador acelerado cerca del horizonte de sucesos atrapa una partícula cercana y la arroja al observador distante para su captura y estudio, entonces, para el observador distante, la apariencia de la partícula se puede explicar diciendo que la aceleración física de la partícula se ha vuelto de una partícula virtual a una partícula "real" [8] (ver radiación de Hawking ).
Se aplican argumentos similares para los casos de observadores en cuadros acelerados ( radiación Unruh ). La radiación de Cherenkov , radiación electromagnética emitida por partículas cargadas que viajan a través de un medio particulado a más de la velocidad nominal de la luz en ese medio, también se ha descrito como "superradiancia de movimiento inercial". [5]
Otros ejemplos de superradiancia en entornos astrofísicos incluyen el estudio de llamaradas de radiación en regiones que albergan máser [9] [10] y ráfagas de radio rápidas. [11] 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 manera ubicua en todo el universo y que abarcan grandes distancias (por ejemplo, desde unos pocos kilómetros en el medio interestelar [12] ] a posiblemente más de varios miles de millones de kilómetros [11] ).
Ver también
- Óptica cuántica
- Emisión espontánea
- Transición de fase superradiante
- Radiación de Hawking
- Efecto unruh
- Radiación de Cherenkov
- Bomba de agujero negro
Referencias
- ^ Dicke, Robert H. (1954). "Coherencia en los procesos de radiación espontánea" . Revisión física . 93 (1): 99-110. Código Bibliográfico : 1954PhRv ... 93 ... 99D . doi : 10.1103 / PhysRev.93.99 .
- ^ Gross, M .; Haroche, S. (1 de diciembre de 1982). "Superradiancia: un ensayo sobre la teoría de la emisión espontánea colectiva". Informes de física . 93 (5): 301–396. Código Bibliográfico : 1982PhR .... 93..301G . doi : 10.1016 / 0370-1573 (82) 90102-8 .
- ^ Scheibner, Michael; Schmidt, T .; Worschech, L .; Forchel, A .; Bacher, G .; Passow, T .; Hommel, D. (2007). "Superradiancia de puntos cuánticos" . Física de la naturaleza . 3 (2): 106-110. Código Bibliográfico : 2007NatPh ... 3..106S . doi : 10.1038 / nphys494 .
- ^ Benedict, MG (1996). Superadiancia: emisión coherente multiatómica . Bristol [ua]: Inst. de Física Publ. ISBN 0750302836.
- ^ a b Bekenstein, Jacob; Schiffer, Marcelo (1998). "Las muchas caras de la superradiancia". Physical Review D . 58 (6): 064014. arXiv : gr-qc / 9803033 . Código Bibliográfico : 1998PhRvD..58f4014B . doi : 10.1103 / PhysRevD.58.064014 . S2CID 14585592 .
- ^ Thorne, Kip S. (1994). Agujeros negros y distorsiones del tiempo: el escandaloso legado de Einstein . pag. 432.
- ^ Zel'Dovich, Yakov Borisovich (1971). "Generación de ondas por un cuerpo giratorio" (PDF) . ZhETF Pisma Redaktsiiu . 14 : 270. Bibcode : 1971ZhPmR..14..270Z - a través de http://adsabs.harvard.edu/ .
- ^ Thorne, Price y Macdonald (eds) (1986). Agujeros negros: el paradigma de la membrana .CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- ^ Rajabi, F .; Houde, M. (2016). "SUPERRADIANCIA DE DICKE EN ASTROFÍSICA. I. LA LÍNEA DE 21 cm" . El diario astrofísico . 826 (2): 216. arXiv : 1601.01717 . Código bibliográfico : 2016ApJ ... 826..216R . doi : 10.3847 / 0004-637X / 826/2/216 . S2CID 28730845 .
- ^ Rajabi, Fereshteh (2016). "SUPERRADIANCIA DE DICKE EN ASTROFÍSICA. II. LA LÍNEA OH 1612 MHz" . El diario astrofísico . 828 (1): 57. arXiv : 1601.01718 . Código bibliográfico : 2016ApJ ... 828 ... 57R . doi : 10.3847 / 0004-637X / 828/1/57 . S2CID 20321318 .
- ^ a b Houde, M .; Mathews, A .; Rajabi, F. (12 de diciembre de 2017). "Explicación de ráfagas de radio rápidas a través de superradiancia de Dicke". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 475 (1): 514. arXiv : 1710.00401 . Código bibliográfico : 2018MNRAS.475..514H . doi : 10.1093 / mnras / stx3205 . S2CID 119240095 .
- ^ Rajabi, F .; Houde, M. (2017). "Explicación de llamaradas maser recurrentes en el ISM a través de estados mecánicos cuánticos entrelazados a gran escala" . Avances científicos . 3 (3): e1601858. arXiv : 1704.01491 . Código Bib : 2017SciA .... 3E1858R . doi : 10.1126 / sciadv.1601858 . PMC 5365248 . PMID 28378015 .