Un orchestre sans chef, où les musiciens se mettent à jouer en cadence grâce à l'acoustique commune de la salle. Voilà comment se représenter la superradiance : une multitude de nanocristaux excités, dont chacun brille au hasard de son côté, se synchronisent soudain et produisent une seule bouffée brève et puissante. Auparavant, on n'arrivait à voir un tel phénomène qu'à très basse température, car la chaleur désaccordait les « musiciens ». Aujourd'hui, des physiciens ont trouvé le moyen de les faire jouer de concert à température ambiante, et la clé n'était pas la température, mais la forme de la tache lumineuse.
L'expérience utilisait un film de puits quantiques sphériques CdS/CdSe/CdS : des nanocristaux de quelques nanomètres, à l'intérieur desquels les porteurs de charge sont enfermés comme dans une minuscule pièce. Quand on dirigeait une brève impulsion laser sur le film, celui-ci se mettait à luire. Mais le caractère de cette lueur dépendait de la longueur de la bande éclairée. Si la bande était longue (3 mm), la lumière s'amplifiait au fil de sa traversée du milieu, comme une voix dans un long couloir, mais elle restait incohérente. Si en revanche on raccourcissait la bande jusqu'à 2.1 mm, des signes de superradiance apparaissaient : un retard avant la bouffée, un temps de montée qui se raccourcit à mesure que le pompage augmente, et des oscillations amorties après le pic, les anneaux de Burnham-Chiao.
Le résultat principal : le seuil de superradiance avec un pompage en bande s'est révélé environ 30 fois plus bas qu'avec un pompage ponctuel. Autrement dit, il faut bien moins d'énergie pour déclencher l'émission collective si l'on excite non pas un point, mais une courte bande. D'où cela vient-il ? Le champ optique qui se propage le long de la bande aide les nanocristaux à « se sentir » les uns les autres et à aligner leurs phases, même lorsque le gain est insuffisant pour un effet laser ordinaire.
On ne savait pas jusqu'ici comment la géométrie spatiale de l'excitation influence la compétition entre superradiance et émission spontanée amplifiée. Il est désormais démontré que le raccourcissement de la bande excitée fait basculer le processus dominant de l'émission spontanée amplifiée vers la superradiance. Cela ouvre la voie à des sources de lumière cohérente à bas seuil fondées sur des nanocristaux colloïdaux et fonctionnant à température ambiante. L'orchestre s'est mis à jouer de concert, et le chef d'orchestre s'est révélé être la géométrie même de la scène.
Les anneaux de Burnham-Chiao observés dans l'expérience doivent leur nom aux physiciens qui les ont prédits en 1973 comme des oscillations d'intensité après un éclat de superradiance. Ces oscillations naissent de l'échange d'énergie entre le rayonnement et la polarisation collective, à la manière des oscillations amorties d'un pendule.