《Nature Physics》新进展：超辐射——微小钻石中的量子效应

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在金刚石晶格中，存在特殊种类的缺陷，包括氮原子（白色）和缺失的碳原子。
图片来源：TU Wien

“超辐射”是指一个原子在以光的形式发出能量的同时引起大量附近的其他原子发出能量，从而产生短暂而强烈的闪光现象。学术界在几十年前就预测了这种效应的存在，但很难为其提供强有力的实验证据。
 
到目前为止，这种现象只能通过自由原子（以及使用特殊对称性）来研究。现在，维也纳技术大学的研究人员通过将氮原子嵌入到可以与微波辐射耦合的微小钻石中，首次在固态系统中实现了该现象。这一结果被发表在《Nature Physics》杂志上！

微波谐振器，中心有钻石

量子光的明亮闪光

根据量子物理定律，原子可以处于不同的状态。“当原子吸收能量时，它就转变为所谓的激发态。当它回到较低的能量状态时，能量又以光子的形式释放出来。这通常是随机发生的，且不可预测。” 维也纳技术大学原子与亚原子物理研究所研究小组组长Johannes Majer说。但如果几个原子彼此靠近，就会产生一个有趣的量子效应：某一个原子随机并自发地发射出一个光子，从而影响邻近的所有其他处于激发态的原子，结果是大多数原子在同一时刻释放出多余的能量，产生强烈的量子光闪光。这种现象就被称为“超辐射”。

“不幸的是，无法通过普通原子直接观察到这种效应。只有把所有的原子放在一个比光子波长小得多的区域里，才有可能产生超辐射。” 文章的第一作者Andreas Angerer 说道。因此，必须将原子聚焦到小于100纳米，然后，原子之间的相互作用将非常强烈，以至于效果将不再可能。

钻石晶格中的缺陷

Majer和他的团队通过多年研究发现了解决这个问题的量子系统：内置缺陷的微小钻石。虽然普通的钻石是由一个规则的碳原子网格构成的，而Majer在实验室的钻石中故意加入了晶格缺陷。在钻石内的某些点上，他们用氮原子替换了碳原子，这样其相邻的碳晶格就是空缺的，也就造成了缺陷。

这些带有晶格缺陷的特殊钻石是由Junichi Isoya和他在日本筑波大学的团队制造的。他们成功地产生了世界上最高浓度的这些所需缺陷，而不会造成任何其他损害。该效应的理论基础由Kae Nemoto（国家信息学研究所）和William Munro（NTT基础研究实验室）在日本东京建立。
 
和普通原子一样，这些钻石缺陷也可以进入激发态，但这是通过微波范围内的光子实现的，波长非常大。“我们的系统具有决定性的优势，可以使用波长为几厘米的电磁辐射，因此将各个缺陷位置集中在一个波长范围内是没有问题的，”Andreas Angerer解释道。
 
当许多钻石缺陷进入到激发状态时，它们通常需要数小时才能返回到低能状态。然而，由于超辐射效应，这发生在大约100纳秒内。自发发出的第一个光子也会导致所有其他缺陷位置发射光子。

与激光相似

超辐射的基本原理与激光相同——都由一个受激发的光子发射，然后由光子撞击能量激发的原子所触发。然而，这是两个完全不同的现象：在激光中，需要大量光子不断地刺激新的原子。在超辐射中，只需单光子就能触发。
 
Johannes Majer 补充道：“从量子物理学的角度来看，超辐射更吸引人。量子效应研究是现在的热点，其中粒子纠缠更是重点。超辐射就是其中之一。我预计这将带来一些新的东西，在未来几十年，我们可能会出现量子技术2.0。”

原文参考
Andreas Angerer, Kirill Streltsov, Thomas Astner, Stefan Putz, Hitoshi Sumiya, Shinobu Onoda, Junichi Isoya, William J. Munro, Kae Nemoto, Jörg Schmiedmayer, Johannes Majer. Superradiant emission from colour centres in diamond. Nature Physics, 2018; DOI: 10.1038/s41567-018-0269-7
 
主要信息来自编译整理，仅供参考，原文链接：
https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/126159/