量子粒子可以協同工作以產生強大的信號，然而這些信號通常不穩定，並且幾乎瞬間消失。幾十年來，超輻射這一現象一直是該問題的鮮明例子——這是一種集體效應，許多量子粒子共同釋放能量，產生強烈的輻射爆發，但隨即消退。近期研究人員發現，這一長期存在的弱點可以轉化為優勢。在一項新研究中，科學家展示了超輻射可以持續存在，無需外部驅動，產生長壽命且高度相干的微波信號。這一發現改變了人們對量子世界的認知。
研究團隊的成員之一、位於日本沖繩科學技術大學院大學的中心主任 Kae Nemoto 表示：「我們展示了那些曾被認為會破壞量子行為的相互作用，實際上可以被利用來創造量子行為。」在這項研究中，團隊使用了填充有氮空位（NV）中心的鑽石晶體來進行超輻射。超輻射發生在許多量子粒子（如原子自旋）協同作用時，這些粒子不再獨立釋放能量，而是同步釋放，產生的信號強度遠超其單獨部分的總和。
然而，這一過程通常極快消耗能量，對於實際技術如時鐘或通信設備來說並不實用。為了探索這一限制是否可以克服，位於維也納的 TU Wien 和沖繩科學技術大學院大學的研究人員建立了一個精心設計的量子系統。他們使用了一個鑽石晶體，內含密集的氮空位中心，這些微小缺陷中氮原子與缺失的碳原子相鄰。每個 NV 中心都擁有一個電子自旋，這些自旋像微型磁鐵一樣，可以在量子狀態之間切換。
研究人員將這個鑽石放置在一個微波腔內，這種結構可以捕獲微波輻射並使其與自旋強烈互動。當自旋最初被激發時，研究人員觀察到了熟悉的現象：一個強大的超輻射微波輻射爆發。隨後，意想不到的事情發生了：系統開始產生一系列狹窄、長壽命的微波脈衝，這些信號在沒有任何外部驅動或持續能量輸入的情況下出現。
研究人員指出：「在初始的快速超輻射爆發之後，我們觀察到一系列後續的發射脈衝，並持續產生近乎連續的微波信號，持續時間可達一毫秒。」為了理解這一現象的原因，研究人員使用了大型計算機模擬。計算顯示，鑽石內部的自旋相互作用動態地重新填充了系統的能量水平。簡言之，自旋之間不斷重新分配能量，觸發新的發射。這一過程被稱為自激超輻射微波發射，意味著系統實際上能夠自我驅動。
通常引入噪音並摧毀相干性的相互作用，這次卻組織了自旋，創造出一個極為穩定且相干的微波信號。主要研究者 Wenzel Kersten 表示：「系統自我組織，從通常會摧毀的無序中產生極為相干的微波信號。」
穩定的自我持續微波信號對於原子時鐘、導航系統、雷達和通信網絡等技術至關重要。此外，「我們在這裡觀察到的原則也可以增強量子傳感器，能夠檢測磁場或電場的微小變化。這些進展可能對醫療成像、材料科學和環境監測等領域帶來好處。」TU Wien 的量子技術專家 Jörg Schmiedmayer 表示。
在更深層次上，這項工作改變了物理學家對量子相互作用的思考方式。研究顯示，複雜的自旋相互作用不再被視為不可避免的噪音來源，而是可以被設計為資源。後續研究將重點探索這一效應的普遍性，是否可以在其他量子平台上實現，以及如何精確調整和控制發射的微波。該研究已發表於《自然物理學》期刊。
