Оркестр без дирижёра, где музыканты начинают играть в такт благодаря общей акустике зала. Так можно представить сверхизлучение: множество возбуждённых нанокристаллов, каждый из которых сам по себе светит случайно, вдруг синхронизируются и выдают одну мощную и короткую вспышку. Раньше такое удавалось увидеть только при очень низких температурах, потому что тепло расстраивало «музыкантов». Теперь физики нашли способ заставить их играть слаженно при комнатной температуре, и ключом оказалась не температура, а форма светового пятна.
В эксперименте использовали плёнку из сферических квантовых ям CdS/CdSe/CdS — это нанокристаллы размером в несколько нанометров, внутри которых носители заряда заперты, как в крошечной комнате. Когда на плёнку направляли короткий лазерный импульс, она начинала светиться. Но характер свечения зависел от того, насколько длинную полоску освещали. Если полоска была длинной (3 мм), свет усиливался по мере прохода через среду, как голос в длинном коридоре, но оставался некогерентным. Если же полоску укорачивали до 2.1 мм, появлялись признаки сверхизлучения: задержка перед вспышкой, сокращение времени нарастания с ростом накачки и затухающие осцилляции после пика — кольца Бёрнхэма–Чиао.
Главный результат: порог сверхизлучения при полосковой накачке оказался примерно в 30 раз ниже, чем при точечной. Это значит, что для запуска коллективного свечения нужно гораздо меньше энергии, если возбуждать не точку, а короткую полоску. Почему так происходит? Распространяющееся вдоль полоски оптическое поле помогает нанокристаллам «почувствовать» друг друга и выровнять фазы, даже когда усиления недостаточно для обычного лазерного эффекта. Оркестр заиграл слаженно, и дирижёром оказалась сама геометрия сцены.
Кольца Бёрнхэма–Чиао, наблюдаемые в эксперименте, названы в честь физиков, которые предсказали их в 1973 году как осцилляции интенсивности после сверхизлучательной вспышки. Эти осцилляции возникают из-за обмена энергией между излучением и коллективной поляризацией, подобно затухающим колебаниям маятника.