近日，鄭州大學物理學院、中原之光實驗室在光鐘超輻射外差頻率測量物理機制方面取得重要研究進展，為主動光鐘的進一步研制奠定了理論基礎。

原子鐘是目前最精確的時鐘，它利用原子躍遷發射的電磁波作為頻率參考，在相對論物理探索、國家授時、衛星導航等領域得到了廣泛的應用。原子鐘通常依賴激光對原子的激發以及后續熒光的讀出，使用超高穩定性激光是提高原子鐘精度的最直接的方式。傳統激光器會受到腔體材料熱漲落的影響，而超輻射激光工作在“壞腔”極限下（即腔諧振帶寬遠大于增益介質的光譜寬度），其輸出線寬窄、穩定性高等特點契合了原子鐘的需求，得到了國內外實驗組的廣泛關注和研究。超輻射激光的實現需要使用非相干泵浦實現原子布局反轉，原子與高品質因子光腔建立起集體弱耦合，通過協同自發輻射形成連續的超輻射。為表征超輻射激光作為主動光鐘的性能，通常使用外差測量來評估頻率精度隨測量時間的演化。

研究團隊首次將隨機主方程應用于超輻射激光的研究，修改了開源軟件包QuantumCumulants.jl源代碼，實現了隨機平均場方程的自動推導和求解。理論研究表明：在未做測量時，超輻射激光來自于原子-原子、原子-光子的量子關聯，原子系綜和光腔未建立宏觀的偶極矩和輻射場；在外差測量中，測量反饋作用在系統中引入了初始的隨機原子和光學相位，并在隨后的動力學中形成了宏觀的原子偶極矩和輻射場；相比超輻射脈沖信號，穩態超輻射延長了信號時間，減少了測量“死”時間，使得1秒積分時間下的頻率誤差減少了兩個數量級。本研究不僅詮釋了光鐘頻率測量中可能的量子效應，理論上證明了超輻射激光的優勢，也為進一步相關機制的探索提供了有效的理論和數值工具。

相關研究成果以“Conditional Dynamics in Heterodyne Detection of Superradiant Lasing with Incoherently Pumped Atoms”為題發表于國際知名物理期刊《Physical Review Letters》上。我校物理學院2021級碩士研究生余輝輝為論文第一作者，張元副教授、單崇新教授和丹麥尼爾斯·玻爾研究所Klaus M?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學為第一單位。該工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.073601