▲在金刚石晶格中，存在着特殊的缺陷，包括氮原子(白色)和缺失的碳原子。
“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的现象。学术理论在几十年前就预测了这种效应的存在，但要为其提供实验证据却非常困难。此前，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。该研究结果于9月3日发表在了《自然?物理》杂志上。
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。” 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。大多数原子在同一时刻释放多余的能量，产生强烈的量子光。这种现象就被称为“超辐射”。
文章的第一作者Andreas Angerer 说道：“不幸的是，我们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。”
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。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。
这些金刚石缺陷就像普通原子一样，也可以进入激发态。当多数金刚石缺陷转变为激发态时，通常需要数小时才能恢复到较低的能量状态。但是，在超辐射效应中，从第一个自发的光子发出到引起其他缺陷点发出能量的整个过程仅有100纳秒左右。
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。”
编译：Coke
审稿：阿淼
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