Американские физики выяснили: замысел нейтринного лазера на сверхизлучении не сработает. Причина — фермионная природа нейтрино. Работа опубликована в Physical Review Letters, о ней рассказал портал N+1. Об этом пишет Togliatti24.
Сверхизлучение Дике возникает, когда множество излучателей связано общим электромагнитным полем и испускает фотоны согласованно. Тогда амплитуды переходов складываются когерентно. Для N атомов максимальная скорость излучения растёт как N², а не как N у независимых атомов. Так получают мощные короткие импульсы без вынужденного излучения.
В прошлом году Бен Джонс и Джозеф Формаджо предложили применить этот механизм для нейтринного лазера. В их схеме использовался конденсат Бозе — Эйнштейна из радиоактивных атомов рубидия-83. При электронном захвате образуется криптон-83, а также вылетает нейтрино. Для миллиона атомов расчёт обещал сокращение периода полураспада с 86,2 дня до 148 секунд.
В Массачусетском технологическом институте Юй-Кун Лу, Ханчжэнь Линь и Вольфганг Кеттерле проверили, возможно ли сверхизлучение, если испускаемая частица — фермион. Они взяли идеализированную систему: атомы находятся друг от друга на расстоянии меньше длины волны нейтрино, взаимодействуют с его модой, а отдача, доплеровские сдвиги и быстрый распад дочерних атомов не учитывались. Условия были самыми благоприятными.
Оказалось, решает статистика частиц. У фотонов операторы переходов в отдельных атомах коммутируют, поэтому амплитуды складываются конструктивно, а скорость пропорциональна N². У нейтрино операторы ведут себя как фермионные и антикоммутируют. Амплитуды частично гасят друг друга, а максимальная скорость испускания пропорциональна уже числу излучающих центров.
Это согласуется с принципом запрета Паули. После первого коллективного испускания остаётся фермионное коллективное возбуждение. Эта мода уже занята, поэтому новые испускания блокируются. Каскада, где каждый распад усиливает следующий, не появляется.
Ограничение не привязано к модели локализованных атомов. Это верно и для любых многочастичных систем, и для атомов, объединённых в молекулы. Коллективные эффекты полностью не пропадают: некоторые состояния с малым числом возбуждений испускают нейтрино со скоростью, пропорциональной числу центров. Но квадратичного усиления, нужного для предложенного нейтринного лазера, добиться нельзя.
Лазеры при этом бывают не только фотонными. Ранее физики создали активную среду для непрерывного атомного лазера. Он испускает когерентный пучок атомов, а не фотонов.