华中科技大学讯 近日，物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线刊发了物理学院吕新友教授与合作者的最新研究成果，论文题为“Exceptional Point Superradiant Lasing with Ultranarrow Linewidth”。物理学院2023级博士生杜敏为论文第一作者，华中科技大学吕新友教授与四川大学特聘副研究员宾倩（原华中科技大学博士及博士后）为论文共同通讯作者，合作者包括物理学院博士后邱庆洋和日本理化学研究所Franco Nori教授。
图1: 模型，原子能级结构，PT对称性系统本征值
原子钟是当前最精密的测量装置之一，在引力波探测、暗物质探索、相对论检验、信息网络以及卫星导航等领域具有广泛应用。原子钟的线宽是决定其频率稳定性和测量精度的关键参数。基于超辐射激光的光学原子钟能够实现窄线宽输出，从而显著提升原子钟稳定性。然而，超辐射激光的线宽受Purcell增强的原子自发辐射速率所限制，因此进一步压缩线宽既具有挑战性，也具有重要意义。奇异点（Exceptional Points, EPs）是非厄米宇称-时间（PT）对称系统中的奇异结构，具有一系列独特性质，可引发损耗诱导相干、手性模态切换以及显著的灵敏度增强等新奇物理现象。PT对称性与超辐射激光结合，作为超辐射激光发展中的一个重要方向，有望突破上述限制，实现线宽的进一步压缩。
图2: PT对称性守恒、破缺和EP点处的光子数和输出线宽
该工作研究了奇异点对稳态超辐射激光的影响，并提出了一种基于奇异点实现超窄线宽超辐射激光的理论方案。研究发现，PT对称系统中奇异点的存在能够影响原子相干性并改变Purcell增强的原子辐射速率，从而有效降低进入集体辐射区域的上阈值。在奇异点处，原子相干性达到最大，显著放大超辐射效应，并最终实现超窄线宽的超辐射激光输出。该超辐射激光的线宽可达到微赫兹（μHz）量级，较无奇异点机制的超辐射激光系统缩窄三个数量级，远小于单原子的衰减速率。该工作通过引入奇异点特性拓展了超辐射激光的研究范围，为提升原子钟的稳定性与精度提供了一种新的实现途径，并在国际时间基准、国家授时系统、卫星导航系统以及广义相对论检验等领域具有潜在应用价值。
论文链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/sbbk-xdvs
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