近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院材料物理研究所金剛石光電材料與器件團(tuán)隊(duì)在光晶格原子鐘超輻射激光理論研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以題為“Ultra-narrow Superradiant Lasing by Dark Atom-Photon Dressed States”的論文發(fā)表在國(guó)際知名物理期刊《Physical Review Letters》上。青年教師張?jiān)┦繛檎撐牡谝蛔髡吆屯ㄓ嵶髡撸湂W胡斯大學(xué)Klaus Moelmer 教授為共同通訊作者，鄭州大學(xué)為第一作者單位。

普通激光依賴于布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)物質(zhì)（例如原子）通過(guò)受激輻射建立起來(lái)的光學(xué)相干，與之相反，超輻射激光依賴于光與物質(zhì)間集體耦合導(dǎo)致的原子相干。最近的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)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(qiáng)耦合時(shí)，上述兩種激光過(guò)程可共存，表現(xiàn)出超輻射激光現(xiàn)象。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，在該系統(tǒng)中引入磁場(chǎng)后，鍶88原子激發(fā)能級(jí)發(fā)生塞曼劈裂，系統(tǒng)的透射譜由兩個(gè)峰轉(zhuǎn)變?yōu)槿齻€(gè)峰。為解釋以上現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)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(duì)該哈密頓量進(jìn)行了對(duì)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(duì)應(yīng)于透出譜中的三個(gè)峰。

在上述理論研究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入了原子的非相干泵浦，研究了不同泵浦強(qiáng)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(gè)峰，其對(duì)應(yīng)較低能量的明、暗原子-光子修飾態(tài)。在較強(qiáng)泵浦下，系統(tǒng)輻射表現(xiàn)出單個(gè)峰，這個(gè)峰的線寬可達(dá)到10Hz，其比弱泵浦下的峰寬小三個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)超窄峰對(duì)應(yīng)于較高能量的暗原子-光子修飾態(tài)。這種新激光機(jī)制也有望在鈣、鐿等原子系綜與光腔構(gòu)成的系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，并在量子精密測(cè)量領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、嘉士伯基金、丹麥國(guó)家研究基金等項(xiàng)目的資助。

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