超放射

超放射の概要

超放射とは、短波長の範囲に集積された原子が外部からエネルギーを与えられて励起され、その後基底状態に戻る際に、連鎖的に光子を放出する現象です。このプロセスは炎色反応のように見え、具体的には外殻の電子が内殻に移動する際に、エネルギー準位に応じた波長の光を発生させます。

原子が互いに離れている場合、光子の放出は周辺の原子には影響を与えませんが、近接している場合は連鎖的な放出が観察されます。これにより、超放射は一種の閃光のように見える特性を持ち、そのため「超放射」と名付けられました。

この現象を実現するためには、光の波長よりも短い領域（具体적으로は100立方ナノメートル）に多くの原子を集める必要があります。2017年には、可干渉性の単一原子における超放射が成功裏に実現されました。また、2018年には、ダイヤモンドの窒素−空孔中心を用いた固体量子系での超放射も記録されました。

超放射の応用

超放射の特性は、様々な技術に応用されています。その一例が「超放射ラマンレーザー磁力計」です。この磁力計は、超放射の原理を利用しており、光ポンピング磁力計と似た機能を果たしますが、アプローチは異なります。

光ポンピング磁力計では、原子の蒸気内を通過したレーザー光が原子の磁場により偏極回転や位相の変化を検出し、それによって磁場の強度を計算します。一方、超放射ラマンレーザー磁力計では、外部の磁場によって双極子の光放射の位相変化を直接捉えることで、磁場の強度を測定します。これは超放射の連鎖的な性質を利用した新しいアプローチであり、高精度の磁場測定が可能です。

参考文献

以下に、超放射に関連する重要な文献を示します。

1. Kessler, E. M., et al. "Optical Superradiance from Nuclear Spin Environment of Single Photon Emitters." arXiv preprint arXiv:1002.1244 (2010).
2. Grezes, C., et al. "Multimode storage and retrieval of microwave fields in a spin ensemble." Physical Review X 4.2 (2014): 021049.
3. Bradac, Carlo, et al. "Observation of room-temperature spontaneous superradiance from single diamond nanocrystals." Nature communications 8.1 (2017): 1205.
4. Angerer, Andreas, et al. "Superradiant emission from colour centres in diamond." Nature Physics (2018): 1.

関連項目

• - 量子光学
• - 自然放出
• - 誘導放出
• - 半導体メーザー
• - ブラックホール爆弾

外部リンク

• - 超放射および自然放射増幅現象とその特性

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