La figure montre les émissions de photons de 57 atomes de fer. Le graphique montre que lorsque le nombre d'atomes augmente de 1 à 5 à 20, le temps jusqu'à la première émission augmente, tandis que l'énergie des photons augmente. Crédit :RIKEN
Une collaboration de scientifiques de cinq des sources de rayons X les plus avancées au monde en Europe, le Japon et les États-Unis, a réussi à vérifier une prédiction de base du comportement quantique des systèmes résonants. Dans l'étude publiée dans Physique de la nature , ils ont pu suivre attentivement, une radiographie à la fois, la désintégration des noyaux dans un cristal parfait après excitation avec un flash de rayons X de la source pulsée la plus puissante du monde, le laser à électrons libres à rayons X SACLA à Harima, Japon. Ils ont observé une réduction spectaculaire du temps nécessaire pour émettre le premier rayon X à mesure que le nombre de rayons X augmentait. Ce comportement est en bon accord avec une limite d'un système superradiant, comme prédit par Robert H. Dicke en 1954.
Dicke a prédit que, de la même manière qu'une grande collection de cloches agira différemment d'une seule cloche qui est tapée, un groupe d'atomes émettra de la lumière en réponse à une excitation à un rythme différent - plus rapide - qu'un seul atome. Il a prédit un état "superradiant", où, lorsqu'un grand nombre de photons ou de quanta sont placés dans un système avec de nombreux atomes, la désintégration devient beaucoup plus rapide que pour un seul atome isolé. Prenant l'analogie des cloches, il suggérait que si vous avez un grand nombre de cloches que vous excitez ensemble, ils peuvent sonner fort, mais le son s'éteint beaucoup plus vite que le doux évanouissement d'une seule cloche. Son approche comprenait des effets quantiques, prédisant que la décroissance la plus rapide se produisait lorsque le nombre de quanta était la moitié du nombre d'atomes.
Le concept de superradiance a depuis été vérifié, et, En effet, est une pierre de touche dans le domaine de l'optique quantique. Cependant, Dicke a également prédit qu'un très fort changement dans le taux de désintégration se produirait même lorsque le nombre de quanta dans le système était bien inférieur au nombre d'atomes dans le système. C'est ce qui a été étudié dans les récentes expériences du SACLA et de l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) en France.
une, Traces de portée des détecteurs à photodiode à avalanche (APD) après une impulsion de 44 photons et les ajustements utilisés pour analyser la distribution. b, La distribution des événements multi-photons mesurés dans les détecteurs APD, par rapport à un modèle incorporant une source cohérente avec peu de modes (M =2,2) et une source incohérente (grande limite M). Crédit :RIKEN
Le nouveau travail a remplacé les quanta à basse énergie envisagés par Dicke par des rayons X à haute énergie, permettant aux chercheurs de suivre la désintégration du système un quantum, c'est-à-dire un rayon X à la fois. Cependant, obtenir de fortes impulsions de rayons X est beaucoup plus difficile que pour la lumière à faible énergie, et requis en utilisant les sources les plus modernes, lasers à électrons libres à rayons X. Ces sources ne sont disponibles que récemment, et du peu d'exploitation dans le monde, seulement un, SACLA, au RIKEN SPring-8 Center au Japon, atteint la haute énergie requise. En utilisant cette source une équipe internationale de chercheurs de l'ESRF en France, Printemps-8 au Japon, DESY en Allemagne, l'APS aux USA, et l'Institut Kurchatov en Russie, ont pu suivre avec précision la désintégration jusqu'à 68 photons de rayons X. Ils ont observé que l'émission accélérée du premier photon était en excellent accord avec la prédiction de Dicke. La désintégration d'un seul photon dans les mêmes conditions expérimentales a été étudiée à l'ESRF.
Selon Alfred Baron du RIKEN SPring-8 Center, « Par ce travail, nous avons pu démontrer que le travail de Dicke était correct, et ont également été en mesure d'offrir une image alternative des propriétés de désintégration, basée sur une approche statistique. Cela sera précieux pour comprendre les travaux futurs. »
L'augmentation du taux de décroissance initiale pour les transitions de N à N-1 états excités révélée (a) par la décroissance accélérée du premier des N photons détectés, PN 1 (t) (b) par les rapports PN 1 (t)/P1 1 (t) de ces données à la désintégration d'un seul photon P11(t) (montrée en (c)), et (d) par les taux d'accélération estimés (PN 1 / P1 1 )|t→0. Les traits pleins dans (a, b) sont les calculs basés sur l'approche statistique. La ligne continue en (d) est l'ajustement de puissance. Crédit :RIKEN