石溪大學研究小組在合作輻射現象中取得新突破

      2024年12月27日，由物理學教授DominikSchneble領導的石溪大學研究小組在量子光學領域取得了重大進展，為一個長達70年的老問題帶來了新的啟示。這一發現涉及合作輻射現象的新機制或系統內一組條件，即自發輻射的協同修正。

    一、什么是自發輻射與合作輻射現象

    自發輻射是指激發原子降至低能態并自發以單個光子的形式發射電磁輻射量子的現象。1954年，普林斯頓大學物理學家RHDicke提出了當第二個未激發的原子放在其附近時，找到激發原子的概率會下降到只有一半的理論。這一理論認為，激發系統由兩種同時發生的情形組成：一種是原子處于同相，導致更強的輻射（超輻射）；另一種是原子處于相反的相位，此時不會發生輻射（亞輻射）。

    二、石溪大學的創新研究

    Schneble及其同事使用一維光學晶格幾何中的超冷原子平臺來實現合成量子發射器陣列，這些發射器通過發射慢原子物質波進行衰變，這與傳統過程發射的光子以光速傳播有所不同。這種差異使他們能夠以新的方式訪問集體輻射現象。

    三、實驗設計與結果

    研究人員通過準備和操縱承載弱和強相互作用多體激發相的發射器陣列，展示了定向集體發射，并研究了延遲、超輻射和亞輻射動力學之間的相互作用。他們還直接觀察到了發射體之間相干性的自發建立，這一發現在集體輻射動力學方面具有重要意義。

    四、理論挑戰與未來前景

    Schneble解釋說，在Dicke的理論中，光子不會發揮積極作用，因為它們在衰減的時間尺度上在附近的發射器之間快速移動。然而，石溪大學的研究小組通過其系統中發射的物質波比光子慢數十億倍，打破了這一假設，為未來實驗中發現其他復雜或意想不到的集體原子衰變行為提供了可能。

    這項工作不僅加深了我們對量子光學中合作輻射現象的理解，而且為量子信息科學和技術的發展提供了重要的理論基礎。石溪大學的研究小組通過這一突破性研究，確立了超冷物質波作為研究空間擴展和有序系統中多體量子光學的多功能工具。