近日，华中科技大学物理学院吕新友教授团队在量子光学领域取得重要突破。他们创造性地将“奇异点”概念引入超辐射激光研究，从理论上提出了一种能产生“超窄线宽”激光的新方案，有望将现有超辐射激光的线宽进一步压缩三个数量级，达到微赫兹(μHz)量级。该成果于3月9日在线发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。
挑战：为原子钟造一束更“纯”的光
想象一下世界上最精准的钟表——原子钟。它的“嘀嗒”声并非来自钟摆，而是来自原子在特定能级间的跳跃。激光，就是读取这种跳跃的“标尺”。激光的线宽，可以理解为这束光频率的“纯度”，线宽越窄，光的颜色越纯，原子钟的稳定性就越高。
基于超辐射激光的光学原子钟是目前实现窄线宽输出的重要途径。然而，传统超辐射激光的线宽受到原子自发辐射速率的根本限制，就像有一道难以逾越的屏障，阻碍着原子钟精度的进一步提升。如何在现有基础上，将激光线宽“挤”得更窄，成为国际学界关注的热点。
新思路：利用“奇异点”驾驭量子相干性
吕新友团队另辟蹊径，将目光投向了非厄米物理中的“奇异点”。奇异点是一个在特定参数下系统的能量状态发生简并的奇异点，它往往伴随着一系列反直觉的物理现象，如损耗诱导的激光等。
研究团队构建了一个具有宇称-时间(PT)对称性的理论模型，并系统研究了奇异点对超辐射激光过程的影响。他们发现，当系统恰好工作在奇异点时，原子的集体行为会发生根本性改变：原子间的相干性被显著增强，同时抑制了有害的Purcell效应(即自发辐射增强效应)。这两重效应叠加，使得激光系统能够更高效地进入集体超辐射发光状态。
里程碑：线宽压缩千倍，精度进入微赫兹时代
最终的理论计算显示，在这种新机制下，产生的超辐射激光其线宽可以被压缩到微赫兹量级，相比传统方案缩窄了整整三个数量级，甚至远低于单个原子的自然线宽。这意味着，未来基于此原理的原子钟，其频率稳定性和测量精度将实现质的飞跃。
该工作由华中科技大学为第一完成单位，物理学院2023级博士生杜敏为第一作者，吕新友教授与四川大学特聘副研究员宾倩(原华中科大博士及博士后)为共同通讯作者。研究不仅为突破超辐射激光的线宽极限提供了全新路径，也为基础物理研究(如引力波探测、暗物质搜寻、相对论检验)和重大基础设施(如卫星导航、国家授时系统)的升级换代，带来了具有潜力的技术储备。
