Учёные из Венского технического университета (TU Wien) и Института науки и технологий Окинавы (OIST) продемонстрировали первый пример самопроизвольно возникающей сверхизлучающей мазерной генерации, которая не требует внешнего источника возбуждения. В эксперименте квантовые частицы сами организовались так, чтобы долгое время генерировать стабильный и высокоточный микроволновый сигнал — эффект, который раньше считался невозможным.
В основе работы лежит явление сверхизлучения — коллективного испускания излучения квантовыми частицами. В обычных условиях сверхизлучение проявляется как короткая и мощная вспышка: частицы излучают синхронно, усиливая друг друга, но быстро теряют энергию, и процесс прекращается. Считалось, что такие коллективные эффекты неизбежно затухают и не могут поддерживаться длительное время без внешней подпитки.
Однако в новом эксперименте физики обнаружили иной режим. Они связали микроволновую резонаторную полость с плотным ансамблем алмазов, содержащих так называемые NV-центры — атомные дефекты, в которых электронные спины могут использоваться как квантовые состояния. Эти спины взаимодействовали друг с другом и с общим электромагнитным полем внутри резонатора.
Сначала система повела себя ожидаемо: возник короткий сверхизлучающий импульс. Но затем учёные зафиксировали нечто неожиданное — цепочку узких и долгоживущих микроволновых импульсов, которые продолжали появляться сами по себе. Источником этого эффекта оказались внутренние спин–спиновые взаимодействия, которые не разрушали квантовую когерентность, а, напротив, постоянно «перезапускали» излучение.
Компьютерное моделирование показало, что коллективные взаимодействия между спинами перераспределяют энергию внутри системы и заново заселяют квантовые уровни, поддерживая устойчивый режим генерации. Таким образом, беспорядочные на первый взгляд квантовые взаимодействия превратились в механизм самоподдерживающегося излучения — принципиально новый тип коллективного квантового поведения.
Авторы подчёркивают, что это открытие меняет представления о роли взаимодействий в квантовых системах. Те же процессы, которые обычно мешают управлять квантовыми состояниями и приводят к их разрушению, в данном случае стали источником упорядоченного и чрезвычайно когерентного сигнала.
Практические последствия работы могут оказаться значительными. Подобные самоподдерживающиеся микроволновые источники потенциально пригодны для высокоточных квантовых сенсоров, способных фиксировать крайне слабые изменения магнитных и электрических полей. Такие технологии востребованы в медицинской визуализации, материаловедении, системах связи и навигации. В более широком смысле исследование показывает, как фундаментальные эффекты квантовой физики могут напрямую привести к новым инструментам для науки и промышленности.