近日，我院材料物理研究所金刚石光电材料与器件团队在国际知名物理期刊《Physical Review Letters》上报道了题为“Ultra-narrow Superradiant Lasing by Dark Atom-Photon Dressed States”的理论研究，提出了锶88原子光晶格原子钟与光腔中光子形成的暗原子-光子修饰态，并且预测了该修饰态导致的超窄超辐射激光。我院青年教师张元博士为第一作者和通讯作者，丹麦奥胡斯大学Klaus Moelmer教授为共同通讯作者，郑州大学为第一单位。

普通激光依赖于布局数反转物质（例如原子）通过受激辐射建立起来的光学相干，与之相反，超辐射激光依赖于光与物质间集体耦合导致的原子相干。最近的实验表明，当锶88原子系综和光腔模式发生强耦合时（图a），上述两种激光过程可共存，表现出超辐射激光现象。另一个实验表明，在该系统中引入磁场后，锶88原子激发能级发生塞曼劈裂，系统的透射谱由两个峰转变为三个峰。为解释这个现象，我们构建了原子系综-光腔系统的哈密顿量，在弱激发极限下对该哈密顿量进行了对角化，得到了明、暗原子-光子修饰态（图b），这些修饰态和基态间的跃迁对应于实验中观测的三个峰。

在以上理论研究的基础上，我们引入了原子的非相干泵浦，研究了不同泵浦强度下系统的辐射谱（图c）。研究表明，在较弱泵浦下，系统辐射谱表现出三个峰，其对应较低能量的明、暗原子-光子修饰态。在较强泵浦下，系统辐射表现出单个峰，这个峰的线宽可达到10Hz，其比弱泵浦下的峰宽小三个数量级，这个超窄峰对应于较高能量的暗原子-光子修饰态。这种新激光机制也有望在钙、镱等原子系综与光腔构成的系统中得以实现，并在量子精密测量领域具有潜在的应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金、嘉士伯基金、丹麦国家研究基金等项目的资助。

全文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.123602