近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院、中原之光實(shí)驗(yàn)室在光鐘超輻射外差頻率測(cè)量物理機(jī)制方面取得重要研究進(jìn)展，為主動(dòng)光鐘的進(jìn)一步研制奠定了理論基礎(chǔ)。

原子鐘是目前最精確的時(shí)鐘，它利用原子躍遷發(fā)射的電磁波作為頻率參考，在相對(duì)論物理探索、國(guó)家授時(shí)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。原子鐘通常依賴激光對(duì)原子的激發(fā)以及后續(xù)熒光的讀出，使用超高穩(wěn)定性激光是提高原子鐘精度的最直接的方式。傳統(tǒng)激光器會(huì)受到腔體材料熱漲落的影響，而超輻射激光工作在“壞腔”極限下（即腔諧振帶寬遠(yuǎn)大于增益介質(zhì)的光譜寬度），其輸出線寬窄、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)契合了原子鐘的需求，得到了國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)組的廣泛關(guān)注和研究。超輻射激光的實(shí)現(xiàn)需要使用非相干泵浦實(shí)現(xiàn)原子布局反轉(zhuǎn)，原子與高品質(zhì)因子光腔建立起集體弱耦合，通過(guò)協(xié)同自發(fā)輻射形成連續(xù)的超輻射。為表征超輻射激光作為主動(dòng)光鐘的性能，通常使用外差測(cè)量來(lái)評(píng)估頻率精度隨測(cè)量時(shí)間的演化。

研究團(tuán)隊(duì)首次將隨機(jī)主方程應(yīng)用于超輻射激光的研究，修改了開(kāi)源軟件包QuantumCumulants.jl源代碼，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)平均場(chǎng)方程的自動(dòng)推導(dǎo)和求解。理論研究表明：在未做測(cè)量時(shí)，超輻射激光來(lái)自于原子-原子、原子-光子的量子關(guān)聯(lián)，原子系綜和光腔未建立宏觀的偶極矩和輻射場(chǎng)；在外差測(cè)量中，測(cè)量反饋?zhàn)饔迷谙到y(tǒng)中引入了初始的隨機(jī)原子和光學(xué)相位，并在隨后的動(dòng)力學(xué)中形成了宏觀的原子偶極矩和輻射場(chǎng)；相比超輻射脈沖信號(hào)，穩(wěn)態(tài)超輻射延長(zhǎng)了信號(hào)時(shí)間，減少了測(cè)量“死”時(shí)間，使得1秒積分時(shí)間下的頻率誤差減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。本研究不僅詮釋了光鐘頻率測(cè)量中可能的量子效應(yīng)，理論上證明了超輻射激光的優(yōu)勢(shì)，也為進(jìn)一步相關(guān)機(jī)制的探索提供了有效的理論和數(shù)值工具。

相關(guān)研究成果以“Conditional Dynamics in Heterodyne Detection of Superradiant Lasing with Incoherently Pumped Atoms”為題發(fā)表于國(guó)際知名物理期刊《Physical Review Letters》上。我校物理學(xué)院2021級(jí)碩士研究生余輝輝為論文第一作者，張?jiān)苯淌?、單崇新教授和丹麥尼爾斯·玻爾研究所Klaus M?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學(xué)為第一單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.073601