近日，鄭州大學物理學院材料物理研究所金剛石光電材料與器件團隊在光晶格原子鐘超輻射激光理論研究方面取得進展，相關成果以題為“Ultra-narrow Superradiant Lasing by Dark Atom-Photon Dressed States”的論文發(fā)表在國際知名物理期刊《Physical Review Letters》上。青年教師張元博士為論文第一作者和通訊作者，丹麥奧胡斯大學Klaus Moelmer 教授為共同通訊作者，鄭州大學為第一作者單位。

普通激光依賴于布局數(shù)反轉物質（例如原子）通過受激輻射建立起來的光學相干，與之相反，超輻射激光依賴于光與物質間集體耦合導致的原子相干。最近的實驗表明，當基于鍶88原子系綜的光晶格原子鐘系統(tǒng)和光腔模式發(fā)生強耦合時，上述兩種激光過程可共存，表現(xiàn)出超輻射激光現(xiàn)象。另一個實驗表明，在該系統(tǒng)中引入磁場后，鍶88原子激發(fā)能級發(fā)生塞曼劈裂，系統(tǒng)的透射譜由兩個峰轉變?yōu)槿齻€峰。為解釋以上現(xiàn)象，研究團隊構建了原子系綜-光腔系統(tǒng)的哈密頓量，在弱激發(fā)極限下對該哈密頓量進行了對角化，得到了明、暗原子-光子修飾態(tài)，這些修飾態(tài)和基態(tài)間的躍遷對應于透出譜中的三個峰。

在上述理論研究的基礎上，研究團隊進一步引入了原子的非相干泵浦，研究了不同泵浦強度下系統(tǒng)的輻射譜。研究表明，在較弱泵浦下，系統(tǒng)輻射譜表現(xiàn)出三個峰，其對應較低能量的明、暗原子-光子修飾態(tài)。在較強泵浦下，系統(tǒng)輻射表現(xiàn)出單個峰，這個峰的線寬可達到10Hz，其比弱泵浦下的峰寬小三個數(shù)量級，這個超窄峰對應于較高能量的暗原子-光子修飾態(tài)。這種新激光機制也有望在鈣、鐿等原子系綜與光腔構成的系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，并在量子精密測量領域具有潛在的應用前景。

該工作得到了國家自然科學基金、嘉士伯基金、丹麥國家研究基金等項目的資助。

全文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.123602