Wissenschaftler der Technischen Universität Wien (TU Wien) und des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) haben das erste Beispiel für die spontane Erzeugung von Superradiant-Maser-Emission demonstriert, das keine externe Anregungsquelle erfordert. In diesem Experiment organisierten sich quantenmechanische Teilchen so, dass sie über einen längeren Zeitraum hinweg ein stabiles und präzises Mikrowellensignal erzeugten — ein Effekt, der zuvor als unmöglich galt.

Grundlagen des Experiments

Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf dem Phänomen der Superradiation, bei dem quantenmechanische Teilchen kooperativ Strahlung emittieren. Unter normalen Bedingungen zeigt Superradiation als kurzen, aber intensiven Impuls eine synchrone Emission der Teilchen, die sich gegenseitig verstärken. Diese Prozesse verlieren jedoch schnell ihre Energie und enden. Man nahm an, dass solche kollektiven Effekte dazu neigen, zu erlöschen, und nicht lange ohne externe Energiequelle aufrechterhalten werden können.

Das neu entdeckte Verhalten

Im dargestellten Experiment entdeckten die Physiker jedoch einen alternativen Modus. Sie verbanden eine Mikrowellenresonatorhöhle mit einem dichten Ensemble von Diamanten, die sogenannte NV-Zentren enthielten — atomare Defekte, bei denen Elektronenspins als Quantenstates verwendet werden können. Diese Spins interagierten sowohl miteinander als auch mit dem elektrischen Feld im Resonator.

Zunächst verhielt sich das System wie erwartet, und es entstand ein kurzer superradiater Impuls. Unerwartet beobachteten die Wissenschaftler jedoch eine Kette von schmalen, langlebigen Mikrowellenimpulsen, die sich eigenständig fortsetzten. Die Quelle dieses Effekts waren interne Spin-Spin-Wechselwirkungen, die die quantenmechanische Kohärenz nicht zerstörten, sondern vielmehr die Strahlung ständig „neustarteten“.

Modellierung und neue Erkenntnisse

Computermodellierungen zeigten, dass die kollektiven Wechselwirkungen zwischen den Spins die Energie innerhalb des Systems umverteilten und die quantenmechanischen Zustände neu besetzten, wodurch ein stabiler Generationsmodus aufrechterhalten wurde. Auf diese Weise verwandelten sich die auf den ersten Blick chaotischen quantenmechanischen Wechselwirkungen in einen Mechanismus für die selbstunterstützende Emission — eine prinzipiell neue Art kollektiven quantenmechanischen Verhaltens.

Bedeutung für die Quantenwissenschaft

Die Autoren betonen, dass diese Entdeckung unsere Vorstellungen über die Rolle der Wechselwirkungen in quantenmechanischen Systemen verändert. Die Prozesse, die normalerweise die Kontrolle über quantenmechanische Zustände beeinträchtigen und zu deren Zerstörung führen, wurden in diesem Fall zur Quelle eines geordneten und extrem kohärenten Signals.

Praktische Anwendungen

Die praktischen Auswirkungen dieser Forschung könnten erheblich sein. Solche selbstunterstützenden Mikrowellenquellen sind potenziell geeignet für hochpräzise Quantensensoren, die in der Lage sind, äußerst schwache Änderungen in magnetischen und elektrischen Feldern zu erfassen. Diese Technologien sind von großem Interesse für medizinische Bildgebung, Materialwissenschaften sowie Kommunikations- und Navigationssysteme. Im weiteren Sinne zeigt diese Untersuchung, wie fundamentale Effekte der Quantenphysik direkt zu neuen Werkzeugen für Wissenschaft und Industrie führen können.