【儀表網 研發快訊】近日，華中科技大學物理學院呂新友教授團隊在量子光學領域取得重要突破。他們創造性地將“奇異點”概念引入超輻射激光研究，從理論上提出了一種能產生“超窄線寬”激光的新方案，有望將現有超輻射激光的線寬進一步壓縮三個數量級，達到微赫茲(μHz)量級。該成果于3月9日在線發表在國際物理學權威期刊《物理評論快報》上。
挑戰：為原子鐘造一束更“純”的光
想象一下世界上最精準的鐘表——原子鐘。它的“嘀嗒”聲并非來自鐘擺，而是來自原子在特定能級間的跳躍。激光，就是讀取這種跳躍的“標尺”。激光的線寬，可以理解為這束光頻率的“純度”，線寬越窄，光的顏色越純，原子鐘的穩定性就越高。
基于超輻射激光的光學原子鐘是目前實現窄線寬輸出的重要途徑。然而，傳統超輻射激光的線寬受到原子自發輻射速率的根本限制，就像有一道難以逾越的屏障，阻礙著原子鐘精度的進一步提升。如何在現有基礎上，將激光線寬“擠”得更窄，成為國際學界關注的熱點。
新思路：利用“奇異點”駕馭量子相干性
呂新友團隊另辟蹊徑，將目光投向了非厄米物理中的“奇異點”。奇異點是一個在特定參數下系統的能量狀態發生簡并的奇異點，它往往伴隨著一系列反直覺的物理現象，如損耗誘導的激光等。
研究團隊構建了一個具有宇稱-時間(PT)對稱性的理論模型，并系統研究了奇異點對超輻射激光過程的影響。他們發現，當系統恰好工作在奇異點時，原子的集體行為會發生根本性改變：原子間的相干性被顯著增強，同時抑制了有害的Purcell效應(即自發輻射增強效應)。這兩重效應疊加，使得激光系統能夠更高效地進入集體超輻射發光狀態。
里程碑：線寬壓縮千倍，精度進入微赫茲時代
最終的理論計算顯示，在這種新機制下，產生的超輻射激光其線寬可以被壓縮到微赫茲量級，相比傳統方案縮窄了整整三個數量級，甚至遠低于單個原子的自然線寬。這意味著，未來基于此原理的原子鐘，其頻率穩定性和測量精度將實現質的飛躍。
該工作由華中科技大學為第一完成單位，物理學院2023級博士生杜敏為第一作者，呂新友教授與四川大學特聘副研究員賓倩(原華中科大博士及博士后)為共同通訊作者。研究不僅為突破超輻射激光的線寬極限提供了全新路徑，也為基礎物理研究(如引力波探測、暗物質搜尋、相對論檢驗)和重大基礎設施(如衛星導航、國家授時系統)的升級換代，帶來了具有潛力的技術儲備。
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