近日，马余刚院士的核光子学课题组与合作者在核量子调控理论方面取得重要进展，首次提出利用原子核的集体效应实现X射线的“超辐射爆发”（superradiant burst）。相关成果以《Nonlinear Dynamics of X-Ray Superradiant Burst via Cooperative Nuclear Excitations》为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）[Phys. Rev. Lett. 136, 113601 (2026)]上。
就像合唱团在演唱前同时吸气、统一发声，大量相同的原子或原子核也可以被同时激发，以协同行为发光，而不是各自独立辐射。当这种集体效应发生时，系统可以释放出一道异常明亮的光，这就是所谓的“超辐射爆发”。
这一概念最早由物理学家 R. H. Dicke 提出。他指出，通过微观粒子之间的相互作用，多粒子系统可以像一个整体一样发光，其辐射强度甚至超过各个粒子独立发光的简单叠加。虽然这一集体辐射机制在可见光等光学频段已有广泛研究，但在能量更高、波长更短的X射线范围，尤其是涉及原子核跃迁时，其行为长期缺乏系统性的认识。
在该研究中，团队聚焦X射线波段中的原子核集体激发，系统分析了超辐射爆发的形成机制，围绕三个关键问题展开：需要多少个核激发才能触发清晰的X射线超辐射爆发？辐射何时达到峰值？在真实物理条件下，这种辐射能达到多强？通过定量分析，研究建立了系统的理论框架，揭示了核尺度集体动力学如何决定X射线辐射的形成过程、时间演化及强度特征。
相关研究工作为利用X射线自由电子激光（XFEL）等大科学装置开展核量子调控实验提供了重要理论支撑，例如正在建设的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE），有望成为验证相关机制的关键平台。同时，该研究也开辟了一条通过集体量子效应调控X射线辐射的新路径，并为理解更广泛量子多体系统中的协同行为提供了启发。
从“各自发光”到“协同发光”，这项研究揭示了在核尺度上实现集体辐射的全新可能，也为基于新型X射线光源的核量子调控打开了新的想象空间。
复旦大学2024级博士研究生单钧天和北京量子信息科学研究院常越副研究员为该论文的共同第一作者，复旦大学/华东师范大学马余刚院士、复旦大学孔祥进青年研究员为该论文的通讯作者。论文还得到吉林大学袁建民教授、华东理工大学张理达副教授和香港科技大学王凡博士的合作支持。
系统概念图： 一束来自XFEL的X射线脉冲照射嵌入波导的原子核阵列，使它们同时被激发。原子核之间通过波导相互作用“协同发光”，形成强烈的超辐射爆发，对应插图中的亮峰。
该研究工作得到了国家科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等项目资助。
原文链接：DOI: 10.1103/rfwb-sq72
联系我们：
- 扫码关注 -