Атомы, подобно стайке светлячков, синхронизирующих свои вспышки, способны излучать свет в унисон. Это явление, называемое сверхизлучением, приводит к тому, что интенсивность света растёт нелинейно: сто атомов, излучающих когерентно, дают в десять тысяч раз более яркое свечение, чем один. Физики использовали этот эффект для создания теплового двигателя принципиально нового типа. В отличие от классических тепловых машин, требующих наличия горячего и холодного резервуаров, здесь атомы взаимодействуют только с одним холодным источником.

Рабочий цикл выглядит так: атомы синхронно переводятся в возбуждённое состояние, запасая энергию, а затем коллективно испускают её в виде мощной световой вспышки. Ключевая особенность в том, что излучаемая мощность зависит от числа атомов не линейно, а квадратично: если один атом выдаёт условную единицу мощности, то два — четыре, а десять — сто. Благодаря такому кооперативному усилению эффективность приближается к 100%, поскольку необратимые потери энергии, связанные с энтропией, в этом процессе почти полностью подавляются.

Подобный двигатель обещает революцию в микроскопических устройствах, обеспечивая фантастическую экономичность. В основе лежат работы нобелевских лауреатов Дэвида Уайнленда и Сержа Ароша, которые разработали методы контроля и измерения квантовых систем. Для изучения простейших из них, например атома водорода, применяется спектроскопия — метод, позволяющий анализировать свет с высокой точностью и извлекать информацию о структуре и динамике атомов.