固态光学钟中的集体腔量子电动力学
Collective cavity quantum electrodynamics in solid-state optical clocks
- Institute of Science and Technology Austria（奥地利科学技术研究所）
- Technische Universität Wien（维也纳工业大学）
- Wolfgang Pauli Institute（沃尔夫冈·泡利研究所）
机构由 AI 辅助整理，请以论文原文为准。
AI总结：
针对固态频率标准受退相干限制的问题，提出三种腔QED增强询问方案，利用钍核集体耦合实现快速探测，并揭示集体协同性对频率不稳定性的关键作用及最优运行条件。
AI中文摘要：
固态频率标准通常受到强退相干的限制，使得传统询问方案效率低下。$^{229}$Th核钟为固态光学计量和核腔量子电动力学（QED）提供了独特且及时的平台，其特点是相干时间比当前实验中的辐射寿命短多个数量级。在此，我们提出并分析了三种腔QED增强的钟询问方案，将这些时间尺度不匹配转化为优势，利用钍核与纳米光子模式的集体耦合，在长粒子数寿命下实现快速询问和探测。我们揭示了集体协同性在决定钟频率不稳定性中的核心作用，并推导出钟运行的最优条件（功率、工作点失谐、钍密度）。
英文摘要：
Solid-state frequency standards are generally limited by strong decoherence, rendering conventional interrogation schemes inefficient. The $^{229}$Th nuclear clock provides a unique and timely platform for solid-state optical metrology and nuclear cavity quantum electrodynamics (QED), featuring a coherence time many orders of magnitude shorter than the radiative lifetime in current experiments. Here, we propose and analyze three cavity QED-enhanced clock interrogation schemes that turn this timescale mismatch into an advantage, leveraging collective coupling of thorium nuclei to nanophotonic modes to enable fast interrogation and detection despite the long population lifetime. We reveal the central role of collective cooperativity in determining the clock frequency instability, and derive the optimal conditions (power, working-point detuning, thorium density) for clock operation.
