《PRL》重磅：無(wú)鏡超輻射激光，顛覆了50年的物理常識(shí)

由奧地利因斯布魯克大學(xué)的研究人員 Anna Bychek、Raphael Holzinger 和 Helmut Ritsch 發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的論文 《納米級(jí)無(wú)鏡像超輻射激光》（Nanoscale Mirrorless Superradiant Lasing），從根本上改變了量子光學(xué)領(lǐng)域的研究版圖。

這項(xiàng)理論突破挑戰(zhàn)了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的范式：即激光器必須擁有一個(gè)“盒子”（光學(xué)諧振腔或反射鏡）才能工作。通過(guò)證明密集的原子陣列可以?xún)H通過(guò)真空相互作用實(shí)現(xiàn)同步，作者們?yōu)橹圃焓澜缟献詈?jiǎn)約、最穩(wěn)定的光源開(kāi)辟了道路。

1. 范式轉(zhuǎn)移：沒(méi)有鏡子的激光

自1960年激光器問(wèn)世以來(lái)，其基本架構(gòu)始終保持不變：將增益介質(zhì)（原子或分子）放置在兩面反射鏡（諧振腔）之間。鏡子捕捉光子，迫使它們反復(fù)穿過(guò)介質(zhì)以激發(fā)出更多的受激輻射，最終形成相干光束。

因斯布魯克大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)激進(jìn)的替代方案。在他們的模型中，傳統(tǒng)的“鏡子”被原子自身的集體量子行為所取代。當(dāng)原子之間的距離達(dá)到亞波長(zhǎng)級(jí)別（比它們發(fā)射的光波長(zhǎng)還要短）時(shí)，它們不再作為獨(dú)立的個(gè)體存在，而是通過(guò)偶極-偶極耦合產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2. 物理機(jī)制：集體同步

論文的核心物理機(jī)制依賴(lài)于兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的集體現(xiàn)象：

• 次輻射：在低激發(fā)水平下，原子會(huì)“隱藏”它們的能量。它們的偶極矩排列方式相互抵消了輻射，使能量被困在陣列中的時(shí)間比單個(gè)原子的自然壽命還要長(zhǎng)。
• 超輻射：隨著“泵浦”（能量輸入）的增加，系統(tǒng)發(fā)生相位變遷。原子同步了它們的內(nèi)部振蕩，陣列突然開(kāi)始像一個(gè)巨大的天線一樣共同輻射。其發(fā)射強(qiáng)度隨原子數(shù)量的平方（N2）增長(zhǎng)，而不僅僅是線性增長(zhǎng)（N）。

“被動(dòng)”原子的神奇作用

論文中最直覺(jué)相反的發(fā)現(xiàn)之一是：并非所有原子都被激發(fā)時(shí)，激光效果反而最好。研究發(fā)現(xiàn)，包含一部分處于基態(tài)的“未泵浦”原子充當(dāng)了“虛擬諧振腔”的角色。由于這些被動(dòng)原子不受外部能量泵浦產(chǎn)生的噪聲影響，它們保持了極高的頻率純度。它們將主動(dòng)發(fā)射的原子鎖定在純凈的原子躍遷頻率上，實(shí)際上起到了傳統(tǒng)激光器中鏡子的作用，且頻率穩(wěn)定性更高。

3. 無(wú)鏡像激光的關(guān)鍵特性

論文通過(guò)先進(jìn)的數(shù)值模擬（包括累積量展開(kāi)法和主方程）證明了該系統(tǒng)具備真實(shí)激光的所有標(biāo)志：

• 閾值行為：存在一個(gè)明確的“開(kāi)啟”點(diǎn)，在該點(diǎn)光從隨機(jī)的自發(fā)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榧w的脈沖輻射。
• 方向性：盡管沒(méi)有諧振腔引導(dǎo)光線，發(fā)射的輻射仍會(huì)沿著原子鏈軸向限制在很窄的空間角度內(nèi)。
• 頻譜純度：在閾值以下，光譜是雜亂的多頻率狀態(tài)；一旦超過(guò)閾值，這些譜線會(huì)合并成一條極窄的相干譜線。

4. 為什么這很重要：應(yīng)用前景

《納米級(jí)無(wú)鏡像超輻射激光》的意義遠(yuǎn)超理論好奇心，它具有切實(shí)的潛在應(yīng)用：

I. 終極光學(xué)時(shí)鐘

傳統(tǒng)激光器的頻率受限于反射鏡的物理穩(wěn)定性。即便鏡子發(fā)生極微小的振動(dòng)或熱脹冷縮，激光頻率也會(huì)改變。由于無(wú)鏡像激光的頻率完全由原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，它對(duì)機(jī)械噪聲免疫。這使其成為下一代光學(xué)原子鐘的理想候選者，有望探測(cè)重力微小移動(dòng)或暗物質(zhì)。

II. 片上量子技術(shù)

在納米光子學(xué)領(lǐng)域，在微觀尺度上制造反射鏡在技術(shù)上既困難又容易產(chǎn)生損耗。無(wú)鏡像激光只需通過(guò)光鑷將原子或量子點(diǎn)捕獲在特定的幾何晶格中即可“建造”，從而實(shí)現(xiàn)直接集成在量子芯片上的超小型相干光源。

III. 量子傳感

超輻射轉(zhuǎn)變的高靈敏度使這些陣列成為卓越的傳感器。因?yàn)椤凹す獍l(fā)射”取決于原子之間精確的距離和同步，任何擾亂這種同步的外部力（如磁場(chǎng)或經(jīng)過(guò)的分子）都會(huì)立即反映在輸出的光信號(hào)中。

結(jié)論

這篇論文標(biāo)志著從“工程光學(xué)”向“本質(zhì)量子光學(xué)”的轉(zhuǎn)變。通過(guò)證明集體原子相互作用可以取代笨重的機(jī)械部件，研究團(tuán)隊(duì)為制造最簡(jiǎn)約的激光器提供了一份藍(lán)圖——在這種激光器中，物質(zhì)本身即是機(jī)器。