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《物理評論快報》上的論文 《納米級無鏡像超輻射激光》（Nanoscale Mirrorless Superradiant Lasing），從根本上改變了量子光學(xué)領(lǐng)域的研究版圖。

這項理論突破挑戰(zhàn)了半個世紀以來的范式：即激光器必須擁有一個“盒子”（光學(xué)諧振腔或反射鏡）才能工作。通過證明密集的原子陣列可以僅通過真空相互作用實現(xiàn)同步，作者們?yōu)橹圃焓澜缟献詈喖s、最穩(wěn)定的光源開辟了道路。

1. 范式轉(zhuǎn)移：沒有鏡子的激光

自1960年激光器問世以來，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)的研究團隊提出了一個激進的替代方案。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)原子之間的距離達到亞波長級別（比它們發(fā)射的光波長還要短）時，它們不再作為獨立的個體存在，而是通過偶極-偶極耦合產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2. 物理機制：集體同步

論文的核心物理機制依賴于兩種相互競爭的集體現(xiàn)象：

• 次輻射：在低激發(fā)水平下，原子會“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間比單個原子的自然壽命還要長。
• 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，陣列突然開始像一個巨大的天線一樣共同輻射。其發(fā)射強度隨原子數(shù)量的平方（N2）增長，而不僅僅是線性增長（N）。

“被動”原子的神奇作用

論文中最直覺相反的發(fā)現(xiàn)之一是：并非所有原子都被激發(fā)時，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。它們將主動發(fā)射的原子鎖定在純凈的原子躍遷頻率上，實際上起到了傳統(tǒng)激光器中鏡子的作用，且頻率穩(wěn)定性更高。

3. 無鏡像激光的關(guān)鍵特性

論文通過先進的數(shù)值模擬（包括累積量展開法和主方程）證明了該系統(tǒng)具備真實激光的所有標志：

• 閾值行為：存在一個明確的“開啟”點，在該點光從隨機的自發(fā)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榧w的脈沖輻射。
• 方向性：盡管沒有諧振腔引導(dǎo)光線，發(fā)射的輻射仍會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)；一旦超過閾值，這些譜線會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

《納米級無鏡像超輻射激光》的意義遠超理論好奇心，它具有切實的潛在應(yīng)用：

I. 終極光學(xué)時鐘

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)生極微小的振動或熱脹冷縮，激光頻率也會改變。由于無鏡像激光的頻率完全由原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，它對機械噪聲免疫。這使其成為下一代光學(xué)原子鐘的理想候選者，有望探測重力微小移動或暗物質(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。無鏡像激光只需通過光鑷將原子或量子點捕獲在特定的幾何晶格中即可“建造”，從而實現(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。因為“激光發(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（如磁場或經(jīng)過的分子）都會立即反映在輸出的光信號中。

結(jié)論

這篇論文標志著從“工程光學(xué)”向“本質(zhì)量子光學(xué)”的轉(zhuǎn)變。通過證明集體原子相互作用可以取代笨重的機械部件，研究團隊為制造最簡約的激光器提供了一份藍圖——在這種激光器中，物質(zhì)本身即是機器。