Superradiance af et ensemble af kerner begejstret af en fri elektronlaser

Et samarbejde mellem forskere fra fem af verdens mest avancerede røntgenkilder i Europa, Japan og USA, er det lykkedes at verificere en grundlæggende forudsigelse af kvantemekanisk adfærd af resonanssystemer. I undersøgelsen offentliggjort i Naturfysik , de var i stand til nøje at følge, et røntgenbillede ad gangen, forfald af kerner i en perfekt krystal efter excitation med et glimt af røntgenstråler fra verdens stærkeste pulserende kilde, SACLA røntgenfri elektronlaser i Harima, Japan. De observerede en dramatisk reduktion af den tid, det tog at udsende den første røntgen, da antallet af røntgenstråler steg. Denne adfærd er i god overensstemmelse med en grænse for et superradiant system, som forudsagt af Robert H. Dicke i 1954.

Dicke forudsagde det, på samme måde som en stor samling af klokker vil virke anderledes end en enkelt klokke, der tappes, en gruppe atomer vil udsende lys som reaktion på excitation med en anden hastighed - hurtigere - end et enkelt atom. Han forudsagde en "superradiant" tilstand, hvor, når et stort antal fotoner eller kvanter sættes i et system med mange atomer, henfaldet bliver meget hurtigere end for et enkelt atom isoleret. Ved at tage analogien med klokker, han foreslog, at hvis du har et stort antal klokker, som du ophidser sammen, de kan ringe højt, men lyden dør meget hurtigere ud end den blide fading af en enkelt klokke. Hans tilgang omfattede kvanteeffekter, forudsiger, at det hurtigste henfald fandt sted, når antallet af kvanta var halvdelen af ​​antallet af atomer.

Begrebet superradiance er siden blevet verificeret, og, Ja, er en berøringssten inden for kvanteoptik. Imidlertid, Dicke forudsagde også, at der ville ske en meget stærk ændring i henfaldshastighed, selvom antallet af kvanter i systemet var meget mindre end antallet af atomer i systemet. Dette er, hvad der blev undersøgt i de nylige forsøg på SACLA og European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig.

Det nye arbejde erstattede lavenergikvantaen, som Dicke forestillede sig, med højenergirøntgenstråler, giver forskerne mulighed for at følge systemets forfald en kvante-hvilket betyder en røntgenstråle-ad gangen. Imidlertid, at få stærke pulser af røntgenstråler er meget sværere end for lavenergilys, og kræves ved hjælp af de mest moderne kilder, røntgenfrie elektronlasere. Disse kilder er først blevet tilgængelige for nylig, og af de få, der opererer i verden, kun en, SACLA, på RIKEN SPring-8 Center i Japan, opnår den krævede høje energi. Ved hjælp af denne kilde et internationalt team af forskere fra ESRF i Frankrig, SPring-8 i Japan, DESY i Tyskland, APS i USA, og Kurchatov -instituttet i Rusland, var i stand til præcist at følge forfaldet for op til 68 røntgenfotoner. De observerede den accelererede emission af den første foton i god overensstemmelse med Dickes forudsigelse. Enkelfotonforfaldet under de samme forsøgsbetingelser blev undersøgt ved ESRF.

Ifølge Alfred Baron fra RIKEN SPring-8 Center, "Gennem dette arbejde, vi var i stand til at demonstrere, at Dickes arbejde var korrekt, og kunne også tilbyde et alternativt billede af henfaldets egenskaber, baseret på en statistisk tilgang. Dette vil være værdifuldt for at forstå det fremtidige arbejde. "