近日，郑州大学物理学院材料物理研究所金刚石光电材料与器件团队在光晶格原子钟的主动光频测量理论研究方面取得进展，相关成果以题为“Active Frequency Measurement on Superradiant Strontium Clock Transitions”的论文发表在国际知名物理期刊《Physical Review Letters》上。青年教师张元副教授为论文第一作者和通讯作者，丹麦奥胡斯大学Klaus Mølmer教授为共同通讯作者，郑州大学为第一作者单位。

微波原子钟被用于国际时间标准的定义，是北斗等卫星导航系统的核心。相较微波原子钟，光频原子钟具有更高的精度和准确度。目前，对光钟的研究集中在单个囚禁离子和光晶格原子钟体系。原子钟可通过被动和主动两种机制进行频率测量。在微波频段，氢微波激射器实现了主动的频率测量。在可见光波段，2018年美国科罗拉多州大学James K. Thompson组首次利用光晶格原子钟的超辐射脉冲实现了主动频率测量。

为诠释这个实验涉及的物理并找出优化主动频率测量精度的方法，研究团队将腔量子电动力学理论和量子测量理论结合提出了随机量子主方程，首次利用二阶平均场方法对该类方程进行了求解，并对实验体系进行了模拟和预测。理论研究揭示了原子系综复杂的动力学过程，得到了与实验相符的超辐射差拍、功率密度谱以及频率测量精度。同时，研究表明通过延长超辐射脉冲以及减小单次频率测量所需时间可使频率测量精度提高一到两个数量级，从而可与当前实验报道中最好的光钟频率测量精度相比拟。

研究团队提出的理论不仅可用于研究基于锶88、钙等原子的超辐射的频率测量，也可用于研究基于稳态超辐射、超辐射拉曼散射等过程的频率测量,以及探索复杂物理体系中测量引起的纠缠和自旋压缩等量子测量效应。

该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

全文链接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.013604