Eine Forschergruppe rund um Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien konnte das Quantenphänomen der Superradianz in einem Festkörpersystem nachweisen.

Theoretisch vorhergesagt ist das Phänomen schon seit langem: Atome in angeregten Zustand können durch induzierte Emission so miteinander in Wechselwirkung treten, dass ihre überschüssige Energie lawinenartig abgegeben wird und ein intensiver Lichtblitz aufritt. Im Unterschied zu einem Laser funktioniert diese sogenannte „Superradianz“ ohne Strahlungsrückkopplung in einem Resonator, sodass ein einziges Photon die Strahlungslawine auslösen kann. Experimentell zu realisieren ist ein solches System aber schwierig: Das Phänomen tritt nämlich nur auf, wenn der Abstand zwischen den emittierenden Teilchen viel kleiner ist als die Wellenlänge der emittierten Strahlung, was bei sichtbarem Licht bedeuten würde, sie auf weniger als 100 Nanometer zu konzentrieren. Deswegen konnte man Superradianz bislang nur in eher exotischen Systemen, etwa Quantenpunkten, beobachten.

Die Forscher um Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien haben dieses Problem umgangen, indem Sie Diamanten mit gezielt eingebauten Fehlstellen verwendeten, die an der Universität von Tsukuba in Japan erzeugt wurden. Dabei sind Gitterplätze in hoher Konzentration mit Stickstoff- anstatt mit Kohlenstoffatomen besetzt, während die daneben liegenden Gitterplätze frei bleiben. Dieses System aus Gitterdefekten kann nun aber mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich angeregt werden, die Wellenlängen von mehreren Zentimetern aufweist. Auf den erwarteten Strahlungsblitz mussten die Wissenschaftler aufgrund des Superradianz-Effekts nicht lange  warten: Das erste Photon, das emittiert wird, bringt alle anderen Defektstellen dazu, ihre Anregungsenergie ebenfalls abzugeben.

Die Originalpublikation ist unter dem Titel „Superradiant emission from colour centres in diamond“ in der Zeitschrift Nature Physics erschienen.