激光驱动下腔与玻色-爱因斯坦凝聚中的量子相变

Dicke模型中的量子相变在三十多年前已被预言,该模型描述的是N个二能级原子与单模腔场集体耦合的系统.在标准Dicke模型的基础上加入原子光的非线性相互作用和含时外场驱动,使用含时幺正变换和Holstein-Primafoff变换方法从理论上推导出基态能量表达式.并且给出了丰富的相图,而且这些性质最近已有文献从实验上验证.本文主要呈现了非线性相互作用和外场驱动对量子相变的影响.     

原子-原子相互作用影响下Dicke模型的量子相变

原子与光腔相互作用的动力学特性的研究一直是量子光学研究的热点,本文利用自旋相干态变换和基态变分法从理论上求解光腔中冷原子系统的基态能量表达式,并且给出丰富的基态相图。在正常相时给出基态能量稳定值的解析解;而超辐射相时,我们可以利用迭代的方法近似得到原子布居数、平均光子数和基态能量随原子-场耦合强度的变化。本文主要呈现出原子-原子相互作用强度改变正常相到超辐射相的量子相变点,且是一阶相变,但未出现新的量子相和量子相变。     

两模光机械系统中超冷原子的量子相变

Dicke模型(DM)用于描述单模玻色光场与多个全同二能级原子相互作用。本文利用自旋相干态变分法得到两模光机械系统中基态能量的精确解,并通过变分法求得相变点并画出基态相图,并在此基础上研究原子-场耦合强度等系统参数对基态稳定性的影响。通过稳定性讨论,我们发现:原子-光子耦合常数g和光子-声子耦合常量ζ都会对光机械系统的基态特性产生影响。当双模光腔变成单模光腔时,机械振子能诱导超辐射相的塌缩;而且当光子-声子耦合强度大时,超辐射相被完全压制,而直接出现两原子能级之间的转移;存在不稳定的非零光子态,类似于超辐射态。光机械腔中光子-声子耦合诱导的超辐射态的塌缩和复苏是不同于光腔内囚禁的BEC系统,即机械振子不存在时的情况,而双模光腔对量子相变点和相图预期也会有影响。可见,分析机械振子的对多稳性和相关的量子相变的影响是非常有意义的课题。     

双模Dicke模型的一级量子相变

多光场与多粒子相互作用的多模Dicke模型不但存在着更为丰富的量子相,而且在量子信息中有着重要的应用.本文运用Holstein-Primakoff变换和玻色扩展法研究双模Dicke模型的基态特性并从理论上发现了一个新的一级量子相变.该相变在实验上可以通过测量平均光子数或原子布居数进行观察.     

有限温度下腔光机械系统中N个二能级原子的相变和热力学性质

研究了含有非线性相互作用的腔机械系统中N个二能级原子在有限温度下的相变和相关的热力学性质,采用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数,求得系统的有效作用量.通过对有效作用量进行变分得到系统的热力学平衡方程和原子布居数期待值的解析表达式,重点研究了原子-场耦合强度、非线性原子-光相互作用、非线性声子-光子相互作用等影响下系统的相变,发现除了会发生由正常相到超辐射相的二阶相变外,还会出现正常相和亚稳的超辐射态共存的现象,同时会发现三相(正常相、超辐射相、亚稳的超辐射态)共存点.有限温度的升高,会使正常相到超辐射相的二阶相变点向原子-场耦合强度增大的方向移动;当非线性原子-光相互作用(正或负)增强时,相变点会向原子-场耦合强度弱的方向移动;声子-光子相互作用会导致出现超辐射不稳定态;有限温度下,在正常相区熵为定值,而在超辐射相区熵随原子-场耦合强度的增强迅速递减为零.     

自旋相干态变换和自旋-玻色模型的基于变分法的基态解析解

提出一种基于自旋相干态变换求解自旋-玻色模型基态的变分法, 并将其用于单原子模型, 得到旋波近似和非旋波近似情形下的解析基态能量和波函数, 特别是在光场与原子的弱、强耦合区域都与数值对角化结果符合得很好. 另外, 该方法也可以直接用于求解任意原子数的Dicke模型基态和相应的量子相变研究, 而通常基于Holstein-Primakoff变换的变分法, 原则上只适用于原子数趋于无穷的热力学极限情形. 关键词： 自旋相干态 变分法 J-C模型     

光腔中两组分玻色-爱因斯坦凝聚体的受激辐射特性和量子相变

研究了单模光腔中两组分玻色-爱因斯坦凝聚的基态性质和相关的量子相变.通过利用自旋相干态变换将等效赝自旋哈密顿算符对角化并求得基态能量泛函.基态能量泛函对其经典场变量进行变分并取极小值,得到光子数解和相边界曲线.通过稳定性讨论发现系统除了出现正常相和超辐射相之外,还得到了多稳的宏观量子态;受激辐射来自于原子数反转的集体态,单组分的Dicke系统中并没有此现象;受激辐射只能从一组分的原子中产生,而另外的仍保持在普通超辐射状态.通过调整相关的原子-场耦合强度和频率失谐,超辐射和受激辐射态的顺序可以在原子的两个组分之间互换.     

场的电效应和磁效应诱导的量子相变

Dicke模型中的量子相变近年来引起了人们很多的关注,而且在量子信息中有着非常重要的应用。Dicke模型研究N个二能级原子与单模电磁场相互作用,在电偶极近似下存在由正常相到超辐射相的二阶量子相变。本文运用自旋相干态(SCS)变分法不仅考虑了场的电效应而且考虑磁效应所引起的量子相变,理论上发现了该系统中不仅存在Dicke模型中的二级量子相变而且还出现一级量子相变。在实验上,我们可以通过测量平均光子数或原子布居数来验证此类量子相变的发生。     

Bessel型光晶格中双组分玻色-爱因斯坦凝聚体的基态解

研究了平面Bessel型光晶格(BL)中双组分玻色-爱因斯坦凝聚(BECs)体系的基态解.从描述三维(3D)BECs体系的动力学方程Gross-Pitaevskii方程(GPE)出发,当垂直方向囚禁频率远大于平面上囚禁频率时,得到了描述2D-BECs体系的动力学方程.利用双组分BECs体系中原子之间相互作用与BL强度相互平衡的条件,得到了平面BL光晶格中2D-GPE的一组基态精确解,给出了基态的原子数分布,总原子数和能量与原子之间相互作用强度及BL势的关系.相对于单组分BEC体系,由于不同组分原子相互作用的存在,使得BL光晶格中双组分BECs基态具有更丰富的结构.当不存在不同组分原子之间的相互作用时,模型简化到单组分体系,并给出了相应的基态解,原子数分布和能量. 关键词： Bessel型光晶格 基态解 双组分玻色-爱因斯坦凝聚     

场与非线性介质原子相互作用模型的量子纠缠动力学特性

在场和非线性介质原子相互作用模型下, 利用concurrence和约化Neumann熵两种纠缠量度, 研究推广的二项式场态和原子基态的量子纠缠动力学. 结果表明concurrence与约化Neumann熵是正关联占优势; 在合适的条件下, 纠缠在较长时间内几乎是不变的. 这有利于量子信息过程. 关键词： 推广的二项式态 concurrence 约化Neumann熵     

超冷原子动量光晶格中的非线性拓扑泵浦

在拓扑系统中,探索相互作用引起的新奇的拓扑泵浦现象日益受到人们的关注,其中包括由相互作用诱导的非线性拓扑泵浦.本文提出可以利用超冷原子动量光晶格系统,有效地模拟一维非线性的非对角Aubry-André-Harper (AAH)模型,研究非线性拓扑泵浦的实验方案.首先,通过数值方法计算了一维非对角AAH模型的非线性能带结构随相互作用强度的变化,得到了非线性系统的孤子态解.然后,分析了不同相互作用强度下孤子态的拓扑输运,发现其质心的移动距离具有量子化的输运特征,由所占据能带的陈数决定,并讨论了非线性拓扑泵浦对相互作用符号的依赖性.同时还计算了在不同相互作用强度下,系统最低能带和最高能带对应陈数的分布.最后,基于⁷Li原子的动量光晶格实验系统,提出了一个非线性拓扑泵浦方案.本文构造了一种近似于孤子态分布的初始态并演示了其动力学演化过程,并分析了绝热演化条件对泵浦过程的影响.结果表明,在动量晶格系统中演示非线性拓扑泵浦具有可行性.本文的工作为在超冷原子系统中研究非线性拓扑泵浦提供了一个可行的途径,有助于进一步探测非线性引起的拓扑相变和边界效应.     

两个三能级原子间的纠缠演化特性

本文研究了由一个∧型三能级原子、一个∨型三能级原子和一个单模光场相互作用的系统,在一个原子处于激发态而另一个原子处于基态的初始状态下,给出了系统态矢的演化。采用部分转置密度矩阵的负本征值来描述两原子间的纠缠,利用数值计算的方法讨论了原子间偶极-偶极相互作用和光子数对原子间纠缠特性的影响。研究结果表明:原子间的偶极-偶极相互作用增强原子间的纠缠,而光子数减小原子间的纠缠。     

简谐势阱中具有吸引相互作用原子体系的玻色-爱因斯坦凝聚

给出了简谐势阱中具有吸引相互作用原子体系的非线性定态薛定谔方程的基态解,得到了凝 聚原子数随能量本征值变化的双稳态曲线.并由此得到与实验报道相符的吸引型玻色-爱因斯 坦凝聚体所能包含的最大原子数. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 双稳态     

利用原子-腔场共振相互作用制备多原子缠结态

提出了一个利用量子腔场与原子的共振相互作用制备多原子缠结态的方案.首先将一个初态制备在基态和激发态的叠加态的二能级原子注入一个真空态腔场中.原子通过腔时产生原子-场缠结.制备于基态的其它二能级原子分别以不同角度注入腔场,在与腔场相互作用时可制得多原子缠结态,而空腔仍然保持在真空态.与现存的方案比较,该方案在实验上更容易实现.     

铈原子基态的理论研究

在有心力场近似和组态相互作用理论框架下,通过对电子波函数、各壳 层上电子的束缚能、半径、总束缚能的分析和计算,研究了Ce原子的可能的基组态及其基态 时的原子态。研究结果表明：基组态为4f5d,基态原子态为1G4。     

电子与双声子相互作用对Holstein极化子的影响

在量子化的Holstein模型的基础上再考虑电子与双声子相互作用，运用相干态展开法，得到了一维分子晶体模型处于基态的极化子满足的非线性薛定谔方程及其定态孤子解、基态能量、晶格位移. 关键词： 相干态 极化子 孤立子 非线性薛定谔方程     

超冷(36D5/2+6S1/2)里德伯分子的制备及其电偶极矩的测量

里德伯-基态分子由一个里德伯原子和一个基态原子组成,束缚机制是里德伯电子与基态原子的低能电子散射相互作用.理论上,通过低能电子散射Fermi赝势模型,数值计算了铯(36D_5/2+6S_1/2)里德伯-基态分子的绝热势能曲线,提取了里德伯分子的束缚能和平衡核间距等光谱参数.实验上,利用双光子光缔合技术成功制备了散射三重态(^T∑,Triplet)和散射单重态-三重态混合(^S,T∑,Mixed)形成的里德伯-基态分子,获得了里德伯分子的光缔合光谱,测量的势阱深度与理论计算结果相吻合.另外,以散射三重态为例,分析了里德伯分子的光缔合光谱在外加电场中的展宽现象,获得其平均永久电偶极矩|d|为(12.10±1.65) Debye ((4.76±0.65)ea₀),与理论计算结果保持一致.该研究为实验上制备D态里德伯-基态分子提供了可行的实验方案,对理解里德伯分子的光谱特性具有重要意义.     

利用多光子相互作用实现量子信息传递

利用全量子理论,研究了多原子-腔场系统中多光子相互作用的过程,给出了不同情况下系统的一般演化式,发现利用此过程可实现量子纠缠信息的传递:只要控制腔场与原子相互作用的时间即原子以特定速度通过腔场时,处于基态的原子与存储纠缠信息的腔场相互作用的结果使原子获得量子纠缠信息;相反,纠缠原子中的量子纠缠信息也可传递给处于真空态的腔场;基态原子作为"飞行的量子比特"还可将量子纠缠信息从一个腔场传递到另一个腔场。该结论适应于讨论任意多个原子-腔场系统中任意多个光子相互作用的普遍情形。     

自发破缺规范理论中的光子-光子散射

本文在SU(2)_L×U(1)模型里研究中间态的W介子对光子-光子散射的贡献。由于自发破缺规范理论的可重整化性以及自发破缺以后电磁规范不变性仍成立,在单迴路近似下,光子-光子散射幅中的无穷大必然互相抵消。本文用具体计算说明这一点,并且在低能近似下给出电磁场的等效非线性相互作用拉格朗日量和散射截面。在低能近似下,轻子中间态对散射的贡献为主,然而在高能极限下,W介子中间态的贡献将变得可以和轻子中间态的贡献相比较。     

二能级原子的混态SU(2)压缩

本文采用时间演化算符方法研究混态下二能级原子的SU(2)压缩行为,得出有光场相互作用下的混态原子的压缩比一般纯态原子算符的SU(2)压缩还要深,而且处于准基态下比在准激发态下的压缩要深得多的新结果。通过数值计算,讨论了原子能级布居的统计几率与压缩的关系。