Uma colaboração de cientistas de cinco das fontes de raios-X mais avançadas do mundo na Europa, Japão e EUA, conseguiu verificar uma previsão básica do comportamento quântico-mecânico de sistemas ressonantes. No estudo publicado em Física da Natureza , eles foram capazes de seguir cuidadosamente, um raio-x de cada vez, a decadência de núcleos em um cristal perfeito após excitação com um flash de raios-x da fonte pulsante mais forte do mundo, o laser de elétrons livres de raios-X SACLA em Harima, Japão. Eles observaram uma redução dramática do tempo necessário para emitir o primeiro raio-x à medida que o número de raios-X aumentava. Este comportamento está de acordo com um limite de um sistema superradiante, conforme previsto por Robert H. Dicke em 1954.

Dicke previu isso, da mesma forma que uma grande coleção de sinos agirá de maneira diferente de um único sino que é tocado, um grupo de átomos emitirá luz em resposta à excitação em uma taxa diferente - mais rápida - do que um único átomo. Ele previu um estado "superradiante", Onde, quando um grande número de fótons ou quanta são colocados em um sistema com muitos átomos, a decadência se torna muito mais rápida do que para um único átomo isolado. Tomando a analogia dos sinos, ele estava sugerindo que se você tem um grande número de sinos que você excita juntos, eles podem tocar alto, mas o som morre muito mais rapidamente do que o suave desvanecimento de um único sino. Sua abordagem incluiu efeitos quânticos, predizendo que o decaimento mais rápido ocorreu quando o número de quanta era metade do número de átomos.

O conceito de superradiance já foi verificado, e, na verdade, é uma pedra de toque no campo da óptica quântica. Contudo, Dicke também previu que uma mudança muito forte na taxa de decaimento ocorreria mesmo quando o número de quanta no sistema fosse muito menor do que o número de átomos no sistema. Isso é o que foi investigado em experimentos recentes na SACLA e na European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) na França.

O novo trabalho substituiu os quanta de baixa energia imaginados por Dicke por raios-x de alta energia, permitindo que os pesquisadores acompanhem a decadência do sistema um quantum - ou seja, um raio-x - de cada vez. Contudo, obter fortes pulsos de raios-x é muito mais difícil do que para luz de baixa energia, e necessário usando as fontes mais modernas, lasers de elétrons sem raios-x. Essas fontes só se tornaram disponíveis recentemente, e dos poucos operando no mundo, apenas um, SACLA, no RIKEN SPring-8 Center no Japão, atinge a alta energia necessária. Usando esta fonte uma equipe internacional de pesquisadores do ESRF na França, SPring-8 no Japão, DESY na Alemanha, a APS nos EUA, e o Instituto Kurchatov na Rússia, foram capazes de seguir precisamente a decadência de até 68 fótons de raios-X. Eles observaram que a emissão acelerada do primeiro fóton estava em excelente acordo com a previsão de Dicke. O decaimento de um único fóton nas mesmas condições experimentais foi estudado no ESRF.

De acordo com Alfred Baron do RIKEN SPring-8 Center, “Através deste trabalho, pudemos demonstrar que o trabalho de Dicke está correto, e também foram capazes de oferecer uma imagem alternativa das propriedades de decadência, com base em uma abordagem estatística. Isso será valioso para entender o trabalho futuro. "