混沌量子自旋自主组织发射长寿命微波

一项强大的微波信号并未消逝，而是以脉冲形式持续回归——无需外部能量输入，仅靠自旋间的相互推动。

量子粒子可以协同工作产生强大信号。然而，这些信号通常极不稳定，几乎瞬间消失。
数十年来，这一问题的一个突出例证是超辐射——一种众多量子粒子共同释放能量的集体效应，能产生强烈的辐射爆发，但该辐射会迅速衰减。

如今，研究人员证明，这一长期存在的弱点可以被转化为优势。在一项新研究中，科学家们展示了超辐射可以自我维持，在没有外部驱动的情况下，产生长寿命、高度相干的微波信号。

"这一发现改变了我们对量子世界的看法。我们已经证明，那些曾被认为会破坏量子行为的相互作用，实际上可以被用来创造量子行为。这一转变为量子技术开辟了全新的方向。"该研究的作者之一、日本冲绳科学技术大学院大学中心主任Kae Nemoto说道。

利用钻石晶体实现超辐射

当许多量子粒子（如原子自旋）协同一致时，就会发生超辐射。它们不是独立地释放能量，而是同步并共同释放，从而产生的信号强度远超单个粒子贡献的总和。

问题在于，这个过程通常会极其快速地耗尽能量，使得它对于时钟或通信设备等实际技术来说不切实际。为了探索是否能克服这一限制，来自维也纳工业大学和冲绳科学技术大学院大学的研究人员构建了一个精心设计的量子系统。

他们使用了一块充满密集氮-空位中心的钻石晶体。氮-空位中心是钻石晶格中的微小缺陷，其中一个氮原子紧邻一个缺失的碳原子。每个氮-空位中心含有一个电子自旋，其行为像一个小磁体，可以在量子态之间切换。

研究人员将这颗钻石放入一个微波腔内。微波腔是一种能捕获微波辐射并使其与自旋发生强相互作用的结构。当自旋最初被激发时，研究人员观察到了一个熟悉的现象：一次强大的超辐射微波爆发。

随后发生了意想不到的事情

系统并未逐渐消失，而是开始产生一系列尖锐、长寿命的微波脉冲。这些信号的出现没有任何外部泵浦或持续的能量输入。

"在最初快速的超辐射爆发之后，我们观察到一系列后续的发射脉冲，随后是持续长达一毫秒的准连续激射。"研究作者指出。

为了理解其原因，研究人员转向了大规模计算机模拟。计算表明，钻石内部的自旋-自旋相互作用正在动态地重新填充系统的能级。

简单来说，自旋之间不断地重新分配能量，一次又一次地触发新的发射。这个过程被称为"自诱导超辐射激射"，意味着系统有效地实现了自我驱动。

通常引入噪声和破坏相干性的相同相互作用，在这里反而组织了自旋，产生了极其稳定和相干的微波信号。"系统自我组织，从通常破坏相干性的无序中，产生了极其相干的微波信号。"首席研究员Wenzel Kersten说。

稳定量子信号的意义

稳定、自维持的微波信号对于原子钟、导航系统、雷达和通信网络等技术至关重要。

此外，"我们在这里观察到的原理也可能增强能够探测微弱磁场或电场变化的量子传感器。此类进展可能有利于医学成像、材料科学和环境监测。"该研究的作者之一、维也纳工业大学量子技术专家Jörg Schmiedmayer说。

在更深层次上，这项工作改变了物理学家对量子相互作用的看法。这项研究表明，复杂的自旋相互作用并非不可避免的噪声源，而是可以被设计为一种资源。

进一步的研究将侧重于探索这种效应的普遍性，是否可以在其他量子平台上实现，以及如何精确调谐和控制发射的微波。

这项研究发表在《自然·物理学》期刊上。

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