近日，鄭州大學物理學院資料物理研究所金剛石光電資料與器件團隊在光晶格原子鐘超輻射雷射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，丹麥奧爾胡斯大學Klaus Moelmer教授為共同通訊作者，鄭州大學為第一作者單位。
普通雷射依賴於佈局數反轉物質（例如原子）通過受激輻射建立起來的光學相干，與之相反，超輻射雷射依賴於光與物質間集體耦合導致的原子相干。最近的實驗表明，當基於鍶88原子系綜的光晶格原子鐘系統和光腔模式發生强耦合時，上述兩種雷射過程可共存，表現出超輻射雷射現象。另一個實驗表明，在該系統中引入磁場後，鍶88原子激發能級發生塞曼劈裂，系統的透射譜由兩個峰轉變為三個峰。為解釋以上現象，研究團隊構建了原子系綜-光腔系統的哈密頓量，在弱激發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，這些修飾態和基態間的躍遷對應於透出譜中的三個峰。
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，研究了不同泵浦强度下系統的輻射譜。研究表明，在較弱泵浦下，系統輻射譜表現出三個峰，其對應較低能量的明、暗原子-光子修飾態。在較强泵浦下，系統輻射表現出單個峰，這個峰的線寬可達到10Hz，其比弱泵浦下的峰寬小三個數量級，這個超窄峰對應於較高能量的暗原子-光子修飾態。這種新雷射機制也有望在鈣、鐿等原子系綜與光腔構成的系統中得以實現，並在量子精密量測領域具有潜在的應用前景。
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。
全文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.123602
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