Сверхизлучение

Сверхизлучение — в атомной физике — кооперативное излучение, возникающее вследствие самопроизвольного зарождения и усиления корреляций первоначально независимых атомов c инверсной заселённостью верхнего энергетического уровня. В астрофизике — явление усиления отраженной от вращающейся чёрной дыры волны.

В атомной физике

Механизм сверхизлучения

Рассмотрим атомы вещества с двумя энергетическими уровнями. Предположим, что на уровень с энергией ${\displaystyle E_{2}}$ переведено ${\displaystyle N_{2}}$ атомов. Если это число меньше порогового значения ${\displaystyle N_{c}}$, то сверхизлучения нет, а происходят обычные спонтанные переходы в состояние с энергией ${\displaystyle E_{1}}$ с характерным временем ${\displaystyle \tau _{0}}$. При этом интенсивность излучения составляет${\displaystyle I\approx NI_{0}}$, где ${\displaystyle I_{0}=\hbar \omega _{0}/\tau _{0}}$ - интенсивность излучения изолированного атома, ${\displaystyle \omega _{0}=(E_{2}-E_{1})/\hbar }$ — частота излучения. При ${\displaystyle N_{2}>N_{c}}$ возникает явление сверхизлучения. Излучение становится резко анизотропным и представляет собой короткий мощный импульс сверхизлучения с длительностью ${\displaystyle \tau _{c}={\frac {\tau _{0}}{N}}}$ и интенсивностью ${\displaystyle I\approx N^{2}I_{0}}$ испускаемый по истечении времени ${\displaystyle t_{0}\approx \tau _{s}\ln N}$. Явление сверхизлучения объясняется тем, что между фазами и амплитудами различных атомов возникает корреляция и в случае сверхизлучения все атомы вещества излучают как один большой диполь. В телах, с размерами много большими, чем длина волны излучения, условия осуществления явления сверхизлучения имеют вид: ${\displaystyle \tau _{s}={\frac {\tau _{0}}{\phi }},\phi ={\frac {nLc^{2}}{\omega _{0}^{2}}}\gg 1}$, где n — плотность возбуждённых атомов.

История

Возможность сверхизлучения была впервые предсказана американским физиком Р. Дикке в 1954 г. Впервые это явление было обнаружено в 1973 г. В качестве излучающего тела использовался фтористый водород HF. Для накачки использовалось излучение от лазера с длиной волны 2,5 мкм. Длительность импульса сверхизлучения составляла 100 нс.

В астрофизике

В астрофизике сверхизлучением называется явление усиления падающих на вращающуюся чёрную дыру волн. Впервые явление усиления волн вращающимися чёрными дырами было предсказано Я. Б. Зельдовичем^[1]

Объяснение

Явление сверхизлучения в астрофизике объясняется взаимодействием падающей волны с вращающейся чёрной дырой. В результате этого взаимодействия изменяются масса, угловой момент и электрический заряд вращающейся чёрной дыры. В некоторых случаях возможно уменьшение массы чёрной дыры и за счёт этого рассеянная чёрной дырой волна обладает большей энергией, чем падающая. Данный эффект похож на эффект усиления волн вращающимися поглощающими телами^[2];