茨城大學的北野健太講師、青山學院大學的前田Haruka教授等人組成的研究團隊，成功開發出不使用以往公認必需的諧振器即可調控光傳播模式（指向性）的新方法。該成果通過以自研方法調控被稱為超螢光的集體發光現象而實現的。利用該方法有望實現傳播模式的超高速調控。相關研究成果已發表在期刊《Physical Review Letters》上。
圖1 (a)經光鑷雷射捕獲的原子示意圖；(b)通過本方法週期性激發的原子系集示意圖（供圖：茨城大學）
光傳播模式的調控是眾多光器件不可或缺的技術，其實現長期以來通常需要使用諧振器。例如，雷射就是將增益介質置於諧振器內，通過光學反饋調控受激輻射實現振盪。此外，在諧振器電動力學中，通過將物質置於特殊諧振器內，可以精準調控量子與單模電磁波的相互作用。
另一方面，諧振器不可避免地尺寸上有限，存在實驗上的約束。為從根本上解決這一問題，近年來，不使用諧振器的光傳播模式調控研究正持續推進。
在光鑷法中，利用雷射逐個捕獲原子，並以遠高於光波長的精度調控原子間距。這類原子系集的表現如同一個發光物質，當原子間距與輻射波長發生共振時，會向特定方向發射被稱為超螢光的高強度光脈衝。不過，該方法僅適用於名為冷原子的、運動極慢的原子系集。
超螢光是一種集體發光現象，原子之間通過真空場相互作用，表現得如同一個發光體。這種相互作用效率最高的情形，是原子間距與超螢光半波長相當時。
研究團隊未採用雷射捕獲原子的方式，而是採用了利用具有空間周期結構的光對原子進行位置選擇性激發這一完全不同的技術路徑。
研究團隊將飛秒雷射脈衝分為兩束，使其交叉形成干涉光柵。通過精密控制兩束光的交叉角度，可將干涉光柵間距的調節精度控制在1奈米以內，從而僅激發干涉光柵波腹處的原子。在採用加熱玻璃池中銣原子的實驗中，掃描交叉角度時，超螢光強度會在特定角度急劇增強；由該角度反推得到的干涉光柵間距，與理論共振條件一致。研究還確認，共振條件下超螢光的光束輪廓呈單一清晰形態，非共振條件下則起伏大、形態模糊。
該方法無需諧振器，也無需冷原子，因此可適用於範圍更廣的物質，有望成為量子多體系統與單模電磁波相互作用研究的理想平台。此外，超螢光的量子性尚有諸多未明之處，通過將該方法與冷原子技術、單光量子探測技術相結合，可形成新的技術路徑，未來有望推動量子多體光器件的研發。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Letters
論文：Cavity-Free Mode Control of Superfluorescence from Thermal Gas
DOI：10.1103/cbxq-8n45
