En física , la superradiancia son los efectos de mejora de la radiación en varios contextos, incluida la mecánica cuántica , la astrofísica y la relatividad .
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 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 N 2 ). Este es un resultado sorprendente, drásticamente diferente de la descomposición exponencial esperada (con una tasa proporcional a N ) de un grupo de átomos independientes (ver emisión espontánea ). Desde entonces, la superradiancia se ha demostrado 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 superradiancia rotacional [6] está asociada con la aceleración o movimiento de un cuerpo cercano (que proporciona la energía y el momento para el efecto). También se describe a veces 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 más bajo, incluso cuando no existe un mecanismo clásico obvio para que esto suceda. En este sentido, el efecto tiene algunas similitudes con el efecto túnel cuántico (por ejemplo, la tendencia de las ondas y partículas a "encontrar una manera" de explotar la existencia de un potencial de energía, a pesar de la ausencia de un mecanismo clásico obvio para que esto suceda).
Mientras que una descripción clásica de una esfera giratoria aislada e ingrávida 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 vacío y liso, bajo la mecánica cuántica la región circundante de vacío no es completamente lisa, y el campo de la esfera puede acoplarse con fluctuaciones cuánticas y acelerarlas para producir radiación real. Los frentes de onda virtuales hipotéticos con trayectorias apropiadas alrededor del cuerpo son estimulados y amplificados hasta convertirse en frentes de onda físicos reales mediante el proceso de acoplamiento. Las descripciones a veces hacen referencia a que estas fluctuaciones "hacen cosquillas" al campo para producir el efecto.
En los estudios teóricos de los agujeros negros, el efecto también se describe a veces como la consecuencia de las fuerzas de marea gravitacionales alrededor de un cuerpo fuertemente gravitacional que separan pares de partículas virtuales que de otro modo se aniquilarían rápidamente entre sí, para producir una población de partículas reales en la región fuera del horizonte.
La bomba de agujero negro es una inestabilidad que crece exponencialmente en la interacción entre un campo bosónico masivo y un agujero negro giratorio.
En astrofísica , un ejemplo potencial de superradiancia es la radiación de Zeldovich . [7] Fue Yakov Zeldovich quien describió por primera vez este efecto en 1971, [8] Igor Novikov en la Universidad de Moscú desarrolló aún más la teoría. Zeldovich escogió el caso de la electrodinámica cuántica (EDQ) 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 radiar 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 diría que es "virtual". Si el observador acelerado cerca del horizonte de sucesos atrapa una partícula cercana y la arroja al observador distante para que la capture y la estudie, entonces para el observador distante, la aparición de la partícula puede explicarse diciendo que la aceleración física de la partícula la ha convertido de una partícula virtual en una partícula "real" [9] (véase Radiación de Hawking ).
Argumentos similares se aplican a los casos de observadores en sistemas acelerados ( radiación de Unruh ). La radiación de Cherenkov , radiación electromagnética emitida por partículas cargadas que viajan a través de un medio particulado a una velocidad superior a la nominal de la luz en ese medio, también se ha descrito como "superradiancia del movimiento inercial". [6]
Otros ejemplos de superradiancia en entornos astrofísicos incluyen el estudio de llamaradas de radiación en regiones que albergan máseres [10] [11] y ráfagas de radio rápidas [12] . 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 [13] hasta posiblemente varios miles de millones de kilómetros [12] ).
Instrumentos que utilizan la emisión súper radiante.
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