表示光晶格管中保持的物质波发射器阵列（红色为原子激发，蓝色为发射物质波，绿色为有效真空耦合），以及定向超辐射发射的数据。图片来源：Alfonso Lanuza

由物理学和天文学系教授 Dominik Schneble 博士领导的研究小组发现了一种新型机制或系统内的一组协同辐射现象，为量子光学中一个 70 年前的问题带来了新的思路。

他们对一系列合成（人造）原子中以前看不见的集体自发排放效应的发现发表在《自然物理学》上，同时在《物理评论研究》上发表了一篇理论论文。

自发发射是激发原子下降到低能状态并以单个光子的形式自发发射量子电磁辐射的现象。当单个激发原子衰变并发射光子时，随着时间的推移，找到处于激发态的原子的概率呈指数下降到零。

1954 年，普林斯顿物理学家 R. H. Dicke 考虑了当第二个未激发的原子被放置在其附近时会发生什么。他认为，找到激发原子的概率会出人意料地下降到只有一半。激发系统由两种同时发生的场景组成，一种是原子同相，导致更强的发射（称为超辐射），另一种是它们在相位相反的情况下，当没有发射时（亚辐射）。当两个原子最初都被激发时，衰变总是变成超辐射。

Schneble 及其同事在一维光晶格几何结构中使用超冷原子平台来实现合成量子发射器阵列，这些发射器通过发射缓慢的原子物质波来衰变。相比之下，传统过程发射以光速传播的光子。这种差异使他们能够在新的状态下获得集体辐射现象。

通过准备和操纵承载弱相互作用和强相互作用的多体激发相的发射器阵列，研究人员展示了定向集体发射，并研究了延迟与超辐射和亚辐射动力学之间的相互作用。

“Dicke 的想法在量子信息科学与技术 （QIST） 中具有重要意义。例如，人们正在努力利用耦合到一维波导的量子发射器阵列中的超辐射和亚辐射，“Schneble 说，他也是 Stony Brook 分布式量子处理中心 （CDQP） 的成员。

“在我们的工作中，我们能够以前所未有的控制来准备和操纵亚辐射状态。我们可以关闭自发发射并观察辐射在阵列中隐藏的位置。据我们所知，这是第一次这样的演示，“Schneble 说。

Stony Brook 团队包括两名前博士生 Youngshin Kim 和 Alfonso Lanuza，他们的工作为量子光学的一些基本概念提供了新的见解。

Schneble 解释说，在 Dicke 的理论中，光子没有发挥积极作用，因为它们在衰变的时间尺度上在附近的发射器之间快速移动。但是，有些情况可能会打破这一假设，例如在长距离量子网络的通道中，从衰变发射器中逸出的引导光子可能需要很长时间才能到达相邻的发射器。这种未被探索的机制正是研究人员能够获得的，因为他们系统中发射的物质波比光子慢数十亿倍。

“我们看到了来自包含单个激发的超辐射态的集体衰变如何需要时间才能形成，”合著者 Kim 说。“只有当相邻的发射器能够通信时，它才会发生。”

该团队指出，跟踪发射器系统中的慢速辐射是一项艰巨的理论挑战。

合著者 Lanuza 将这一挑战比作一场复杂的捕捉和释放游戏：“原子发射的光子在逃逸之前可以被捕捉回几次，甚至可以与原子结合。当多个原子和光子参与时，游戏规则就会变得复杂——原子交换光子、光子从激发原子上反弹以及光子被困在原子之间只是其中涉及的一小部分过程。

尽管光子和原子相互作用很复杂，但他还是能够找到两个发射器最多有两个激发和任意真空耦合的数学解。这方面的工作可能会导致在未来的实验中发现其他复杂或意想不到的集体原子衰变行为。

“总的来说，我们在集体辐射动力学方面的结果将超冷物质波确立为研究空间扩展和有序系统中的多体量子光学的多功能工具，”Schneble 总结道。

更多信息：Youngshin Kim 等人，原子物质波介导的量子发射器的超辐射和亚辐射动力学，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02676-w

Alfonso Lanuza 等人，两个完全激发的量子发射器的集体非马尔可夫衰变的精确解，物理评论研究（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevResearch.6.033196

期刊信息： Physical Review Research ， Nature Physics