物理学家复兴上世纪90年代激光概念，提出下一代原子钟

美国和德国的研究人员公布了一份理论蓝图，描述了一种由高度同步激光驱动的原子钟，在这种原子钟中，原子是协同工作而非彼此独立。科罗拉多大学的贾罗德·赖利、波恩大学的西蒙·耶格以及他们在美国和德国的同事，在《物理评论快报》上发表了他们的研究成果，重新启用了一个最早在上世纪90年代提出的构想——这可能为获得迄今线宽最窄的激光指明了一条道路。

超辐射激光与原子钟

在传统激光器中，反射镜腔让光在原子之间来回反射，从而建立起一束明亮、相干的激光。超辐射激光的工作方式则不同：它不依赖谐振腔来维持相干性，而是让原子本身充当单个协同的辐射源，集体同步它们的光发射。

在20世纪90年代出现早期理论构想之后，这一概念直到2008年才获得实质性推动，当时科罗拉多大学的研究人员提出，超辐射激光可以作为一种新型原子钟。

原子钟的工作原理是使用激光探测原子中非常精确的跃迁，使电子以极其稳定的频率在能级之间跃迁。由于超辐射激光将相干性储存在原子而非谐振腔中，其输出频率远不易受到振动或温度波动等环境干扰的影响。

正如赖利所解释的：“超辐射激光非常有希望用作新一代原子钟，因为它们具有极小的线宽（频率不确定度极小），并且对因环境引起的钟激光频率微小偏移所带来的计时误差非常不敏感。”

然而，尽管这一概念于2012年首次在脉冲模式下得到实验演示，但迄今为止，热效应一直阻碍着超辐射激光发挥其全部潜力。

要让激光像原子钟所需要的那样连续运行，原子必须被不断补充能量。逐个原子进行能量补充会产生随机冲击，使原子样品发热，从而破坏激光过程，将其限制在短暂的脉冲而非稳定的连续光束中。

增加一个额外能级

在他们的研究中，赖利的团队考虑了对早期理论概念进行修改，能否制造出适用于原子钟的连续激光。在几乎所有先前的研究中，原子被视为简单的二能级系统：电子处于基态，偶尔跃迁到激发态又跃迁回来。该团队提出，通过在图像中增加一个额外的基态，或许可以解决热效应问题。

在二能级系统中，如果泵浦（重新激发）和衰变过程都通过谐振腔集体发生，数学上会以某种方式约束系统，从而阻止稳定连续的激光输出。但有了三个能级可用，泵浦和衰变可以在完全独立的跃迁上进行，打破这一约束，使集体方案得以奏效。

“有了这个额外的能级，集体衰变和集体泵浦就可以在不同的态之间发生，”赖利解释道，“这使我们能够克服上世纪90年代模型中的问题，同时仍然使用集体泵浦，它所导致的加热效应比单粒子泵浦方案要小得多。”

史上最窄的激光？

该团队使用与钡元素相关的参数进行理论计算，发现他们的方案可以产生线宽（衡量频率定义精确程度的指标）约为100微赫兹的激光。这将是光学激光器有史以来达到的最窄线宽，对应的相干长度（激光在变得不同相之前所能传播的距离）可从太阳一直延伸到天王星轨道。

团队还研究了激光频率对外部干扰的敏感度。这一特性被称为“腔牵引”，描述的是输出频率被拖向腔自身共振频率的强烈程度。传统激光器极易受到这种效应的影响：早期的超辐射方案已大大减弱了这一效应，而赖利的三能级方案表现更佳。

“在我们的方案中，由于其多能级特性，我们发现可以以一种近乎线性的方式将腔牵引从正值调谐到负值，”他描述道，“这意味着我们可以将腔牵引调至比以前可能达到的小几个数量级，其中包括腔牵引在理论上达到零的点。”

超越原子钟

这一成果的意义可能远超计时领域。不受环境频率偏移影响的激光将成为光学干涉测量的强大工具——利用光的干涉图样进行超精密测量。

“我们的超辐射激光可以用于光学干涉测量装置，”赖利说，“这有可能被用来制造对环境不敏感的引力波探测器，使频率偏移完全由引力波引起的弯曲时空造成。”

由于他们的方案完全依赖原子的集体行为，团队还指出，这可能为有源核钟打开大门，这种核钟利用原子核内部而非电子的跃迁。如果能够实现，他们的方法可能为制造有史以来最精确的时间标准铺平道路。

相关链接：https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2506.12267