茨城大学的北野健太讲师、青山学院大学的前田Haruka教授等人组成的研究团队，成功开发出不使用以往公认必需的谐振器即可调控光传播模式（指向性）的新方法。该成果通过以自研方法调控被称为超荧光的集体发光现象而实现的。利用该方法有望实现传播模式的超高速调控。相关研究成果已发表在期刊《Physical Review Letters》上。
图1 (a)经光镊激光捕获的原子示意图；(b)通过本方法周期性激发的原子系综示意图（供图：茨城大学）
光传播模式的调控是众多光器件不可或缺的技术，其实现长期以来通常需要使用谐振器。例如，激光器就是将增益介质置于谐振器内，通过光学反馈调控受激辐射实现振荡。此外，在谐振器电动力学中，通过将物质置于特殊谐振器内，可以精准调控量子与单模电磁波的相互作用。
另一方面，谐振器不可避免地尺寸上有限，存在实验上的约束。为从根本上解决这一问题，近年来，不使用谐振器的光传播模式调控研究正持续推进。
在光镊法中，利用激光逐个捕获原子，并以远高于光波长的精度调控原子间距。这类原子系综的表现如同一个发光物质，当原子间距与辐射波长发生共振时，会向特定方向发射被称为超荧光的高强度光脉冲。不过，该方法仅适用于名为冷原子的、运动极慢的原子系综。
超荧光是一种集体发光现象，原子之间通过真空场相互作用，表现得如同一个发光体。这种相互作用效率最高的情形，是原子间距与超荧光半波长相当时。
研究团队未采用激光捕获原子的方式，而是采用了利用具有空间周期结构的光对原子进行位置选择性激发这一完全不同的技术路径。
研究团队将飞秒激光脉冲分为两束，使其交叉形成干涉条纹。通过精密控制两束光的交叉角度，可将干涉条纹间距的调节精度控制在1纳米以内，从而仅激发干涉条纹波腹处的原子。在采用加热玻璃池中铷原子的实验中，扫描交叉角度时，超荧光强度会在特定角度急剧增强；由该角度反推得到的干涉条纹间距，与理论共振条件一致。研究还确认，共振条件下超荧光的光束轮廓呈单一清晰形态，非共振条件下则起伏大、形态模糊。
该方法无需谐振器，也无需冷原子，因此可适用于范围更广的物质，有望成为量子多体系统与单模电磁波相互作用研究的理想平台。此外，超荧光的量子性尚有诸多未明之处，通过将该方法与冷原子技术、单光子探测技术相结合，可形成新的技术路径，未来有望推动量子多体光器件的研发。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Letters
论文：Cavity-Free Mode Control of Superfluorescence from Thermal Gas
DOI：10.1103/cbxq-8n45
