近日，鄭州大學物理學院材料物理研究所金剛石光電材料與器件團隊在光晶格原子鐘的主動光頻測量理論研究方面取得進展，相關成果以題為“Active Frequency Measurement on Superradiant Strontium Clock Transitions”的論文發表在國際知名物理期刊《Physical Review Letters》上。青年教師張元副教授為論文第一作者和通訊作者，丹麥奧胡斯大學Klaus M?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學為第一作者單位。

微波原子鐘被用于國際時間標準的定義，是北斗等衛星導航系統的核心。相較微波原子鐘，光頻原子鐘具有更高的精度和準確度。目前，對光鐘的研究集中在單個囚禁離子和光晶格原子鐘體系。原子鐘可通過被動和主動兩種機制進行頻率測量。在微波頻段，氫微波激射器實現了主動的頻率測量。在可見光波段，2018年美國科羅拉多州大學James K. Thompson組首次利用光晶格原子鐘的超輻射脈沖實現了主動頻率測量。

為詮釋這個實驗涉及的物理并找出優化主動頻率測量精度的方法，研究團隊將腔量子電動力學理論和量子測量理論結合提出了隨機量子主方程，首次利用二階平均場方法對該類方程進行了求解，并對實驗體系進行了模擬和預測。理論研究揭示了原子系綜復雜的動力學過程，得到了與實驗相符的超輻射差拍、功率密度譜以及頻率測量精度。同時，研究表明通過延長超輻射脈沖以及減小單次頻率測量所需時間可使頻率測量精度提高一到兩個數量級，從而可與當前實驗報道中最好的光鐘頻率測量精度相比擬。

研究團隊提出的理論不僅可用于研究基于鍶88、鈣等原子的超輻射的頻率測量，也可用于研究基于穩態超輻射、超輻射拉曼散射等過程的頻率測量,以及探索復雜物理體系中測量引起的糾纏和自旋壓縮等量子測量效應。

該工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

全文鏈接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.013604