想象一场永不落幕的交响乐。乐手是原子，让乐音得以凝聚的音乐厅是光学谐振腔，而技艺精湛的指挥家则是一种新型的连续装载强耦合技术——它精准把控节奏，在演出中悄然安排新乐手入座，让所有声部融汇成稳定纯净的旋律。您听到的"音乐"，正是从谐振腔中透出的那束单色连贯的激光。
实验中，辅助激光束负责冷却并引导原子——它们如同节拍器和舞台工作人员，并非演出本身。真正的演出是原子们在环形谐振腔内集体创造的新光线，这些光线以连续激光的形式逸出。
近日，借助这种指挥家般的精准控制，美国天体物理联合实验室（JILA）研究员、美国国家标准与技术研究院（NIST）及科罗拉多大学博尔德分校物理系教授James K. Thompson及其团队，成功实现了原子与谐振腔之间持续运行的强集体耦合。这项突破为研制超稳定光源和精密测量工具迈出了关键一步。
Thompson研究团队在《Nature Physics》（Sch?fer, V.M., Niu, Z., Cline, J.R.K. et al. Continuous recoil-driven lasing and cavity frequency pinning with laser-cooled atoms, DOI：/10.1038/s41567-025-02854-4）与《Physical Review Letters》（Continuous Collective Strong Coupling of Strontium Atoms to a High Finesse Ring Cavity, DOI：10.1103/PhysRevLett.134.013403）发表系列论文，成功演示了将锶原子连续装载至高精细度光学环形腔并实现强耦合的过程，同时观察到腔频意外锁定的连续反冲驱动激光现象。
首席研究员Vera Sch?fer阐释道："我们实验的初始目标是构建连续超辐射激光器——这种装置能在极短时标内完成精密频率测量，有望为探索暗物质及新物理研究开辟新观测维度。"
研究生Zhijing Niu指出："我们实现了锶原子在光学环形腔内的连续激光冷却与腔体输运，从而能持续获得超冷原子流，这对构建连续超辐射激光器具有关键意义。"
汤普森补充道："但研究过程中我们发现了自然系统在能量注入时展现的自组织奥秘：当我们仅尝试在构成激光腔的高反射镜面间装载超冷原子气体时，系统竟自发产生了激光。"
连续激光：量子光源新突破
激光，即受激辐射的光放大现象，已通过激光笔、条形码扫描仪等日常设备为人们所熟知。以往基于激光冷却原子的激光实现多采用脉冲模式，即光源间歇性工作。而连续激光能产生稳定的相干光源，对于需要高稳定性与高精度的应用场景至关重要。
研究人员采用激光冷却的锶原子，将其连续装载至高精细度环形光学谐振腔。通过包括三维红摩斯和垂直减速光束在内的多级激光冷却环节，原子被捕获并冷却。该过程的连续性确保了原子的持续补充，为实现持久激光提供了关键条件。
Zhijing Niu阐释道："我们突破了该领域普遍采用的间歇式操作模式（即冷却装载部分原子→短暂实验→清除原子→循环重复），实现了原子的连续激光冷却与装载。"Thompson补充道："更令人惊喜的是，在尚未利用极窄原子跃迁线宽之前，我们就观测到谐振腔持续输出激光——这种激光能终日不间断运行，直到我们下班离开实验室！"
反冲驱动激光：量子光源的脉动核心
理解反冲驱动激光可类比台球运动：当母球撞击其他球时，动量传递导致目标球运动。类似地，在反冲驱动激光中，光子（光量子）将动量传递给原子，促使原子加速运动。这种运动形成了粒子数反转——实现激光的关键条件。
传统激光器通常需要复杂装置与间歇运行来实现粒子数反转。而JILA研究人员开发出能持续维持这种反转的新方法：通过激光冷却锶原子与高精细度环形光学谐振腔的协同作用，构建出原子持续补充并保持低能态的系统。这种持续补充机制确保了激光过程永不中断。
Thompson指出："我们认识到该激光过程包含吸收光子并受激辐射（即LASER中's'与'e'的物理本质）至不同动量态，因为原子捕获光子时会产生反冲，继而将光子发射至谐振腔。" Zhijing Niu补充道："当我们通过激光冷却光束向系统注入能量时，这似乎是自然界自发形成的增益机制。"
强集体耦合：增强原子与光腔的相互作用
除实现连续激光外，该研究还成功达成了锶原子与光学谐振腔的强集体耦合。当原子与光腔场之间的集体相互作用强到足以显著改变系统特性时，便会引发这一现象。研究人员通过观测连续的原子-腔真空拉比分裂证实了该效应——这是强耦合的明确标志。这种效应犹如原子与腔光子之间的一场完美共舞，由此催生出新颖的量子行为。
Vera Sch?fer强调："我们观测到的诸多物理现象，唯有在连续实验而非循环实验中才能显现。最有趣的激光区域仅出现在从噪声较高的初始状态出发，随后将腔参数缓慢调节至仅靠连续激光支撑的低稳定性区域时。"
腔频锁定：稳定量子乐团的核心技术
维持连续激光与强耦合的挑战之一在于系统对外界干扰的敏感性。腔频的任何波动都可能破坏其精妙平衡，正如突如其来的杂音会打乱乐团演奏。为解决该问题，研究人员发现了一种能锁定（即稳定）谐振腔频率的新机制。Vera Sch?fer指出："我们发现，即便未主动调控，这种激光机制本身就能稳定腔体的有效频率。"
腔频锁定通过将修饰腔模的频率稳定至与腔内光增益频率相匹配来实现。其核心在于一种原子损耗机制——该机制能根据激光强度自适应调节腔内原子数量。当腔频发生漂移时，系统通过改变原子数自动补偿，从而使腔频及激光频率保持稳定。
James K. Thompson解释道："这种增益机制同时会引起原子加热，进而形成独特的反馈回路。即便我们极力尝试改变腔频，该回路仍能将有效光学腔频锁定于固定值。"
窄线宽引领未来之路
本研究实现的连续激光与强集体耦合，标志着激光与量子科学领域的重要里程碑。这些突破不仅深化了人类对基础量子相互作用的理解，更为诸多实际应用开辟了新路径。
James K. Thompson展望后续研究："无论是量子计算还是超窄线宽激光器领域，众多原子与激光物理团队正从循环运行模式转向连续运行模式。我们计划利用锶原子的窄线宽跃迁特性，构建极致单色激光器以探索未知世界。"
不久的将来，这项技术将催生线宽达毫赫兹级别的超稳定超辐射激光器，为高精度测量与基础物理检验提供关键工具。此外，本研究发展的技术还可用于开发新型量子传感器与器件，充分发挥连续原子-腔相互作用的独特优势。通过实施指挥家般的精准控制，让原子与光子ensemble实现紧密同步，研究人员不仅拓展着科学探索的边界，更为下一代量子技术奠定坚实基础。
该研究获美国能源部科学办公室、国家量子信息科学研究中心、量子系统加速器、国家科学基金会JILA物理前沿中心、Q-SEnSE量子跃迁挑战研究所及洪堡基金会资助。
