Американские физики смогли вызвать антистоксову сверхфлуоресценцию одной и нескольких наночастиц, легированных лантанидами, при комнатной температуре. Скорость коллективного излучения ионов оказалась на четыре порядка больше, чем обычная люминесценция. Проведенное исследование открывает дорогу к использованию одиночных наночастиц в создании оптических процессоров.

Исследование опубликовано в Nature Photonics.

О том, что атомы могут излучать коллективно, впервые задумался Роберт Дикке. В 1954 году он предсказал этот эффект, названный сверхизлучением, для атомов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Чтобы оно стало возможным, отдельные излучающие диполи должны быть согласованы в когерентный макроскопический диполь. В этом случае время испускание света уменьшается линейно, а пиковая интенсивность увеличивается квадратично с числом согласованных диполей.

Впервые такое излучение было обнаружено лишь через 20 лет во фтористом водороде. Спустя еще два года Бонифачо и Луджато заметили, что физика увиденного сверхизлучения немного отличается своей немарковостью от того, что предсказывал Дикке. В частности, оно возникает при изначально рассогласованных диполях, которые спонтанно выстраиваются в макроскопический диполь перед излучением. Такой механизм физики назвали сверхфлуоресценцией.

Иллюстрация спонтанного согласования диполей, приводящего к сверхфлуоресценции / Kai Huang et al. / Nature Photonics, 2022

Большая скорость излучения и высокая интенсивность коллективного излучения делает его перспективным для создания быстрых оптических процессоров. Сверхфлуоресценция в этом плане имеет преимущество перед сверхизлучением Дикке, поскольку для нее не требуется дополнительно подготавливать среду. К сожалению, пока сверхфлуоресценцию наблюдали лишь при криогенных температурах в газах, кристаллах с примесями и сверхрешетках, но не в одиночных нанокристаллах, часто используемых в нанофотонике.

Большой шаг в решении этих проблем сделали американские физики под руководством Гана Ханя (Gang Han) из Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере и Шуана Фан Лима (Shuang Fang Lim) из Университета штата Северная Каролина.