Ett samarbete mellan forskare från fem av världens mest avancerade röntgenkällor i Europa, Japan och USA, har lyckats verifiera en grundläggande förutsägelse av det kvantmekaniska beteendet hos resonanssystem. I studien publicerad i Naturfysik , de kunde noggrant följa, en röntgen i taget, förfall av kärnor i en perfekt kristall efter excitation med en blixt av röntgenstrålar från världens starkaste pulserade källa, SACLA röntgenfri elektronlaser i Harima, Japan. De observerade en dramatisk minskning av den tid det tog att avge den första röntgenen när antalet röntgenstrålar ökade. Detta beteende stämmer väl överens med en gräns för ett superstrålningssystem, som förutsagt av Robert H. Dicke 1954.

Dicke förutspådde det, på samma sätt som en stor samling klockor kommer att fungera annorlunda än en enda klocka som knackas, en grupp atomer kommer att avge ljus som svar på excitation i en annan takt - snabbare - än en enda atom. Han förutspådde ett "superstrålande" tillstånd, var, när ett stort antal fotoner eller kvanter sätts in i ett system med många atomer, förfallet blir mycket snabbare än för en enda atom isolerat. Med analogin av klockor, han föreslog att om du har ett stort antal klockor som du exciterar tillsammans, de kan ringa högt, men ljudet dör ut mycket snabbare än den mjuka blekningen av en enda klocka. Hans tillvägagångssätt inkluderade kvanteffekter, förutsäger att det snabbaste sönderfallet inträffade när antalet kvanta var hälften av antalet atomer.

Begreppet superradians har sedan verifierats, och, verkligen, är en prövosten inom området kvantoptik. Dock, Dicke förutspådde också att en mycket stark förändring i sönderfallshastigheten skulle inträffa även när antalet kvanter i systemet var mycket mindre än antalet atomer i systemet. Detta är vad som undersöktes i de senaste experimenten vid SACLA och European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike.

Det nya verket ersatte lågenergikvantorna som Dicke föreställde sig med högenergiröntgenstrålar, låta forskarna följa systemets förfall en kvant-vilket betyder en röntgen-åt gången. Dock, att få starka röntgenpulser är mycket svårare än för lågenergiljus, och krävs med de mest moderna källorna, röntgenfria elektronlasrar. Dessa källor har bara blivit tillgängliga nyligen, och av de få som verkar i världen, bara en, SACLA, på RIKEN SPring-8 Center i Japan, uppnår den erforderliga höga energin. Med hjälp av denna källa ett internationellt team av forskare från ESRF i Frankrike, SPring-8 i Japan, DESY i Tyskland, APS i USA, och Kurchatov -institutet i Ryssland, kunde exakt följa sönderfallet för upp till 68 röntgenfotoner. De observerade att den accelererade emissionen av den första fotonen var i utmärkt överensstämmelse med Dickes förutsägelse. Enkelfotons sönderfall under samma experimentella förhållanden studerades vid ESRF.

Enligt Alfred Baron från RIKEN SPring-8 Center, "Genom detta arbete, vi kunde visa att Dickes arbete var korrekt, och kunde också erbjuda en alternativ bild av förfallna egenskaper, baserat på ett statistiskt tillvägagångssätt. Detta kommer att vara värdefullt för att förstå framtida arbete. "