【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，華中科技大學(xué)物理學(xué)院呂新友教授團(tuán)隊(duì)在量子光學(xué)領(lǐng)域取得重要突破。他們創(chuàng)造性地將“奇異點(diǎn)”概念引入超輻射激光研究，從理論上提出了一種能產(chǎn)生“超窄線寬”激光的新方案，有望將現(xiàn)有超輻射激光的線寬進(jìn)一步壓縮三個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到微赫茲(μHz)量級(jí)。該成果于3月9日在線發(fā)表在國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
挑戰(zhàn)：為原子鐘造一束更“純”的光
想象一下世界上最精準(zhǔn)的鐘表——原子鐘。它的“嘀嗒”聲并非來自鐘擺，而是來自原子在特定能級(jí)間的跳躍。激光，就是讀取這種跳躍的“標(biāo)尺”。激光的線寬，可以理解為這束光頻率的“純度”，線寬越窄，光的顏色越純，原子鐘的穩(wěn)定性就越高。
基于超輻射激光的光學(xué)原子鐘是目前實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出的重要途徑。然而，傳統(tǒng)超輻射激光的線寬受到原子自發(fā)輻射速率的根本限制，就像有一道難以逾越的屏障，阻礙著原子鐘精度的進(jìn)一步提升。如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，將激光線寬“擠”得更窄，成為國際學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。
新思路：利用“奇異點(diǎn)”駕馭量子相干性
呂新友團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將目光投向了非厄米物理中的“奇異點(diǎn)”。奇異點(diǎn)是一個(gè)在特定參數(shù)下系統(tǒng)的能量狀態(tài)發(fā)生簡并的奇異點(diǎn)，它往往伴隨著一系列反直覺的物理現(xiàn)象，如損耗誘導(dǎo)的激光等。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)具有宇稱-時(shí)間(PT)對(duì)稱性的理論模型，并系統(tǒng)研究了奇異點(diǎn)對(duì)超輻射激光過程的影響。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)恰好工作在奇異點(diǎn)時(shí)，原子的集體行為會(huì)發(fā)生根本性改變：原子間的相干性被顯著增強(qiáng)，同時(shí)抑制了有害的Purcell效應(yīng)(即自發(fā)輻射增強(qiáng)效應(yīng))。這兩重效應(yīng)疊加，使得激光系統(tǒng)能夠更高效地進(jìn)入集體超輻射發(fā)光狀態(tài)。
里程碑：線寬壓縮千倍，精度進(jìn)入微赫茲時(shí)代
最終的理論計(jì)算顯示，在這種新機(jī)制下，產(chǎn)生的超輻射激光其線寬可以被壓縮到微赫茲量級(jí)，相比傳統(tǒng)方案縮窄了整整三個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至遠(yuǎn)低于單個(gè)原子的自然線寬。這意味著，未來基于此原理的原子鐘，其頻率穩(wěn)定性和測量精度將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。
該工作由華中科技大學(xué)為第一完成單位，物理學(xué)院2023級(jí)博士生杜敏為第一作者，呂新友教授與四川大學(xué)特聘副研究員賓倩(原華中科大博士及博士后)為共同通訊作者。研究不僅為突破超輻射激光的線寬極限提供了全新路徑，也為基礎(chǔ)物理研究(如引力波探測、暗物質(zhì)搜尋、相對(duì)論檢驗(yàn))和重大基礎(chǔ)設(shè)施(如衛(wèi)星導(dǎo)航、國家授時(shí)系統(tǒng))的升級(jí)換代，帶來了具有潛力的技術(shù)儲(chǔ)備。
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