在金剛石晶格中，存在著特殊的缺陷，包括氮原子(白色)和缺失的碳原子。

      “超輻射”是指一個原子在以光的形式發(fā)出能量的同時引起大量附近的其他原子發(fā)出能量，從而產(chǎn)生短暫而強烈的閃光的現(xiàn)象。學術(shù)理論在幾十年前就預(yù)測了這種效應(yīng)的存在，但要為其提供實驗證據(jù)卻非常困難。此前，這種現(xiàn)象只能通過自由原子(以及使用特殊對稱性)來研究?，F(xiàn)在，維也納技術(shù)大學的研究人員通過將氮原子嵌入到可以與微波輻射耦合的微小鉆石中，首次在固態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)了該現(xiàn)象。該研究結(jié)果于9月3日發(fā)表在了《自然物理》雜志上。

      根據(jù)量子物理定律，原子可以處于不同的狀態(tài)。“當原子吸收能量時，它就轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。當它回到較低的能量狀態(tài)時，能量又以光子的形式釋放出來。這通常是隨機發(fā)生的。” 維也納技術(shù)大學原子與亞原子物理研究所研究小組組長Johannes Majer說。但如果幾個原子彼此靠近，就會產(chǎn)生一個有趣的量子效應(yīng)：某一個原子隨機并自發(fā)地發(fā)射出一個光子，從而影響鄰近的所有其他處于激發(fā)態(tài)的原子。大多數(shù)原子在同一時刻釋放多余的能量，產(chǎn)生強烈的量子光。這種現(xiàn)象就被稱為“超輻射”。

      文章的第一作者Andreas Angerer 說道：“不幸的是，我們無法通過普通原子直接觀察到這種效應(yīng)。只有把所有的原子放在一個比光子波長小得多的區(qū)域里，才有可能產(chǎn)生超輻射?！?/p>

      Majer和他的團隊通過多年研究發(fā)現(xiàn)了解決這個問題的量子系統(tǒng)：內(nèi)置缺陷的微小鉆石。普通的鉆石是由一個規(guī)則的碳原子網(wǎng)格構(gòu)成的，而Majer在實驗室的鉆石中故意加入了晶格缺陷。在鉆石內(nèi)的某些點上，他們用氮原子替換了碳原子，這樣其相鄰的碳晶格就是空缺的。

      這些金剛石缺陷就像普通原子一樣，也可以進入激發(fā)態(tài)。當多數(shù)金剛石缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)時，通常需要數(shù)小時才能恢復(fù)到較低的能量狀態(tài)。但是，在超輻射效應(yīng)中，從第一個自發(fā)的光子發(fā)出到引起其他缺陷點發(fā)出能量的整個過程僅有100納秒左右。

      超輻射的基本原理與激光相同——都由一個受激發(fā)的光子發(fā)射，然后由光子撞擊能量激發(fā)的原子所觸發(fā)。然而，這是兩個完全不同的現(xiàn)象：在激光中，需要大量光子不斷地刺激新的原子。在超輻射中，只需單光子就能觸發(fā)。

      Johannes Majer 補充道：“從量子物理學的角度來看，超輻射更吸引人。量子效應(yīng)研究是現(xiàn)在的熱點，其中粒子糾纏更是重點。超輻射就是其中之一。我預(yù)計這將帶來一些新的東西，在未來幾十年，我們可能會出現(xiàn)量子技術(shù)2.0?！?/p>