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新研究诠释光钟超辐射外差频率测量机制
时间:2024-09-06 15:01:12 点击次数:

  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

  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,爱游戏AYX官网入口登陆网址在未做测量时,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。


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