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 denominará "superradiante".
— Robert H. Dicke , 1954, [1]
En óptica cuántica , la superradiancia es un fenómeno que se produce cuando un grupo de N emisores, como átomos excitados, interactúan con un campo luminoso común. Si la longitud de onda de la luz es mucho mayor que la separación de los emisores, entonces 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 tasa proporcional al N 2 ). Este es un resultado sorprendente, drásticamente diferente de la desintegración exponencial esperada (con velocidad 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 [3] y agregados J. [4] Este efecto se ha utilizado para producir un láser superradiante .
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 marea ). 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 manera" de explotar la existencia de un potencial energético, a pesar de la ausencia de un mecanismo clásico obvio para que esto suceda).
Mientras que una descripción clásica de una esfera ingrávida aislada que gira 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 suave entorno vacío, bajo la mecánica cuántica la La región de vacío circundante no es del todo uniforme y el campo de la esfera puede acoplarse a fluctuaciones cuánticas y acelerarlas para producir radiación real. Frentes de ondas virtuales hipotéticos con trayectorias apropiadas alrededor del cuerpo son estimulados y amplificados hasta convertirse 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 los estudios teóricos de los agujeros negros, el efecto también se describe a veces como la consecuencia de las fuerzas de marea gravitacional alrededor de un cuerpo fuertemente gravitante 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 agujero negro. horizonte.
La bomba de agujero negro es una inestabilidad que crece exponencialmente en la interacción entre un campo bosónico masivo y un agujero negro en rotación.
En astrofísica , un ejemplo potencial de superrradiancia es la radiación Zeldovich . [6] Fue Yakov Zeldovich quien describió por primera vez este efecto en 1971, [7] Igor Novikov en la Universidad de Moscú desarrolló aún más la teoría. Yakov Borisovich Zeldovich eligió el caso de la 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 negro de Kerr El agujero 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 bajado cuidadosamente hacia el horizonte atado al extremo de una cuerda) debería ver la región habitada por radiación "real", mientras que desde una distancia Observador 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 que la capture y la estudie, 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 ).
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 "superrradiancia de movimiento inercial". [5]
Ejemplos adicionales de superrradiancia en entornos astrofísicos incluyen el estudio de llamaradas de radiación en regiones que albergan máseres [9] [10] y rápidas ráfagas de radio. [11] La evidencia de superrradiancia en estos entornos sugiere la existencia de emisiones intensas de estados mecánicos cuánticos entrelazados, que involucran una gran cantidad de moléculas, presentes en todas partes en todo el universo y que abarcan grandes distancias (por ejemplo, desde unos pocos kilómetros en el medio interestelar [12 ] hasta posiblemente varios miles de millones de kilómetros [11] ).
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