近日，郑州大学物理学院金刚石光电材料与器件团队在Physical Review Letters在线发表论文，理论诠释了光钟频率测量中可能的量子效应，理论上证明了超辐射激光的优势，也为进一步的机制探索提供了有效的值工具。
图（a）为基于光晶格原子钟超辐射的外差测量示意图。图（b）为钙原子相关能级及过程示意图。图（c）为连续非相干泵浦和外差测量共同作用时原子系综的动力学。图（d）为脉冲超辐射和连续超辐射的分数频差对比。 图源自论文
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原子钟是目前最精确的时钟，它利用原子跃迁发射的电磁波作为频率参考，在相对论物理探索、国家授时、卫星导航等领域得到了广泛的应用。
原子钟通常依赖激光对原子的激发以及后续荧光的读出，使用超高稳定激光是提高原子钟精度的最直接的方式。传统激光器会受到腔体材料热涨落的影响，而超辐射激光工作在“坏腔”极限（即腔谐振带宽远大于增益介质的光谱宽度）下，其输出线宽窄、稳定性高等特点完美契合了原子钟的需求，得到了国内外的广泛关注。超辐射激光的实现需要使用非相干泵浦实现原子布局反转，原子与高品质因子光腔建立起集体弱耦合，通过协同自发辐射形成连续的超辐射。为表征超辐射激光作为主动光钟的性能，通常使用外差测量来评估频率精度随测量时间的演化。
研究团队首次将随机主方程应用于超辐射激光的研究，修改了开源软件包QuantumCumulants.jl源代码，实现了随机平均场方法的自动推导和求解。
理论研究表明，在未做测量时，超辐射激光来自于原子-原子、原子-光子的量子关联，原子系综和光腔未建立宏观的偶极矩和辐射场；在外差测量中，测量反馈作用在系统中引入了初始的随机原子和光学相位，并在随后的动力学中形成了宏观的原子偶极矩和辐射场；相比超辐射脉冲信号，稳态超辐射延长了信号时间，减少了测量“死”时间，导致1秒积分时间下的频率误差减少了两个数量级。
据介绍，该研究不仅诠释了光钟频率测量中的量子效应，理论上证明了超辐射激光的优势，也为进一步机制探索提供了有效的理论和数值工具。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.073601
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