亚辐射现象中原子处于激发态吗？如何保持这些原子处于激发态呢

　　物理学家首次在密集的原子云中实现了一种被称为亚辐射的现象，在这种现象中，原子处于激发态。物理学家在一项新研究中报告说，利用亚辐射可以让科学家们从原子云中创建可靠、寿命长的量子网络。

　　原子通过吸收光子（光粒子）来获得能量，光子会导致它们的电子从最低能量的“基”态跃迁到更高能量的激发态。一旦它们处于激发态，原子就会自发地发射光子并回落到基态。但情况并非总是如此。如果许多原子聚集在一起并以比发射光子的波长更短的距离分开，它们发出的光将自行抵消，原子将保持在激发态。

　　这个过程被称为亚辐射，有效地阻止了一大群受激原子或“集合”的衰变。之前在稀释的原子集合和有序的原子阵列中已经观察到亚辐射，但之前从未在密集的原子云中观察到过。

　　亚辐射之所以起作用，是因为一种称为破坏性干扰的现象。当具有相同振幅的两个光波占据空间的同一部分时，波的波峰和波谷可以对齐以建设性地相加，形成两倍亮度的组合波，或者破坏性地抵消两者完全波。

　　但是，如何消除原子云发出的光来保持这些原子处于激发态呢？根据研究人员的说法，理解这个想法的关键是观察亚辐射量子力学——控制亚原子领域的奇怪的概率规则。

　　在奇怪的量子世界的微小尺度上，粒子既具有波状特性，又可以同时在一个点和另一个点之间穿行所有无限路径。粒子“选择”采取的路径，以及我们观察到的路径，取决于波状粒子如何干扰自身。捕获处于激发态的原子的并不是任何发射光子之间的破坏性干涉，而是——这是古怪的部分——它可能发生的可能性，这首先阻止了光子的发射。

　　“要了解物理事件的概率是多少，你需要总结导致该事件的所有路径。”共同作者、法国量子处理器公司 Pasqal 的量子软件工程师 Lo？c Henriet 在一封电子邮件中告诉 Live Science。“在某些情况下，路径会建设性地干扰并增强现象，而在其他情况下，存在破坏性干扰效应，抑制了概率。由单个原子发射的光子的破坏性干扰阻止了激发态的共同衰变在原子集合中共享。”

　　为了首次在致密气体中产生亚辐射，该团队将无序的冷铷原子云限制在光镊陷阱内。这项技术使科学家们于 2018 年获得了诺贝尔物理学奖，它使用高度集中的激光束将微小颗粒固定在适当的位置。然后第二束激光激发铷原子。

　　许多被激发的原子通过称为超辐射的过程迅速衰变，该过程与亚辐射有关，但原子将其发射的光建设性地组合成超强闪光。但是一些原子在亚辐射或“黑暗”状态中徘徊，无法发出破坏性干扰的光。随着时间的推移，一些处于超辐射状态的原子也变得亚辐射，使原子云变得越来越亚辐射。

　　“我们只是等待系统自行衰变成暗状态。”亨丽特说。“衰减动力学相当复杂，但我们知道相互作用以某种方式导致系统在更长的时间内填充亚辐射态。”

　　一旦他们找到了一种制造亚辐射云的方法，研究人员就通过调整光镊将原子从暗态中震出，使原子能够在没有破坏性干扰的情况下发光。这导致从云中爆发出一道光。

　　该团队还制作了多种形状和大小的云，以研究它们的特性。只有激发云中的原子数量会影响其寿命——原子越多，它们衰变回基态所需的时间就越长。

　　“干扰效应是集体效应；要让它发生，你需要几个发射器。”亨丽特说。“当你增加发射器的数量时，它会变得更加明显。只有两个原子，可能会有某种亚辐射，但这将是一种非常小的物理效应。通过增加原子的数量，人们可以抑制光子发射更有效。”

　　现在研究人员可以制造和控制亚辐射原子云，他们计划研究技术，例如将云排列成规则的几何图案，通过使他们能够精确地调整他们想要的干扰量，将使他们更好地控制受激原子的寿命。

　　研究人员认为，他们的发现将有助于开发许多新技术，例如新型量子计算机和更精确的天气预报传感器。