物理学家复兴1990年代激光概念，提出下一代原子钟

Source: Slashdot

背景

物理学家已提出一种新型原子钟，基于复兴的超辐射激光概念。该装置能够产生极其稳定的信号，线宽约为 100 µHz，可能是光学激光有史以来最窄的。

“这一结果的意义可能远超时间计量。对环境频率漂移免疫的激光将在光学干涉测量中成为强大的工具——利用光的干涉图样进行超精密测量。” – Phys.org

超辐射激光概念

在传统激光中，镜面腔体让光在原子之间来回反射，形成明亮、相干的光束。超辐射激光的工作方式不同：它不依赖腔体维持相干性，而是让原子本身充当单一的协同发射体，集体同步发光。

早在 1990 年代就出现了理论构想，但该概念在 2008 年得到突破——科罗拉多大学的研究人员提出，超辐射激光可以用作新型原子钟。

原子钟如何使用激光

原子钟利用激光光照探测原子中极其精确的跃迁，使电子在能级之间以极其稳定的频率转换。由于超辐射激光将相干性存储在原子而非腔体中，其输出频率对振动或温度波动等环境扰动的敏感性大大降低。

挑战

• 加热： 该概念首次在 2012 年以脉冲方式实验验证。加热效应限制了超辐射激光发挥全部潜能。
• 连续运行： 为了让激光作为原子钟持续工作，必须不断为原子补充能量。逐个原子泵浦会产生随机冲击，导致原子样品加热并扰乱激光过程，使其只能以短脉冲而非稳态光束形式存在。

新研究

Reilly 小组研究了对早期理论概念的修改是否能够实现适用于原子钟的连续超辐射激光。

• 三能级方案： 之前的研究把原子视为简单的两能级系统（基态 ↔ 激发态）。新提案在此基础上加入了额外的基态。
• 分离的泵浦和衰减通道： 在两能级系统中，集体泵浦和通过腔体的衰减会产生约束，阻止稳定的连续激光。采用三能级后，泵浦和衰减可以在不同的跃迁上进行，打破约束，从而实现连续运行。

该研究已在Physical Review Letters上发表。