新型人工材料中量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化及非經(jīng)典性質(zhì).pdf

1、處于真空中的激發(fā)原子，由于受到均勻漲落電磁模式的影響，將自發(fā)的輻射出光子，從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)。在認(rèn)識(shí)到材料能夠修飾原子的自發(fā)輻射過程之后，人們開始探索各種新型材料對(duì)真空環(huán)境的影響。隨著實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特異材料(metamaterials)、拓?fù)浣^緣體(topological insulators)和石墨烯(graphene)等新型人工材料在2004年前后得以制備。其中，特異材料是基于自然材料的認(rèn)知框架上加以設(shè)計(jì)和制備的，具有負(fù)折射率

2、及電磁透明等獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。在拓?fù)浣^緣體中，當(dāng)無能隙表面態(tài)的時(shí)間反演對(duì)稱性遭到破壞時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)將受到拓?fù)淞康男揎椂憩F(xiàn)出類似法拉第旋光效應(yīng)等特殊的電磁現(xiàn)象。而在石墨烯薄層中，通過調(diào)節(jié)門電壓或化學(xué)摻雜的濃度及類型，能夠調(diào)控其在不同頻段的光學(xué)性質(zhì)。在太赫茲頻段，石墨烯將表現(xiàn)出類金屬的性質(zhì)，并支持表面等離子體模式的傳播。
　　結(jié)合上述新型材料的特性，在本文中我們研究了不同材料中原子自發(fā)輻射的性質(zhì)，并根據(jù)材料不同的光學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)原子間的糾

3、纏，量子干涉及共振熒光譜壓縮等一系列非經(jīng)典現(xiàn)象。
　　首先，我們研究了兩個(gè)二能級(jí)體系在零折射材料中的糾纏特性。其中，零折射材料由兩種不同類型，厚度相同的單負(fù)材料板組成。為了能夠激發(fā)兩平板材料交界處的表面場(chǎng)并與之產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合，我們將原子對(duì)置于交界面附近。假設(shè)系統(tǒng)處于單激發(fā)態(tài)，根據(jù)薛定諤方程，在不做馬爾科夫近似的情況下我們得到了系統(tǒng)的幾率幅演化方程。當(dāng)材料厚度遠(yuǎn)大于表面場(chǎng)的特征長(zhǎng)度時(shí)，格林函數(shù)能夠得到簡(jiǎn)化并具有解析表達(dá)式。通過求解系

4、統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可以得知，存在一個(gè)臨界值，當(dāng)對(duì)稱模式、反對(duì)稱模式與表面場(chǎng)的相互作用強(qiáng)度處于其兩端時(shí)，系統(tǒng)將表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。具體來說，對(duì)應(yīng)于不同情況，系統(tǒng)的演化將分別表現(xiàn)出馬爾科夫行為及強(qiáng)相互作用下的非馬爾科夫行為。而體系的糾纏受到初態(tài)的影響，將表現(xiàn)出從糾纏態(tài)逐漸衰減直至消失或隨時(shí)間逐漸增大，并長(zhǎng)時(shí)間保持等特性。此外，當(dāng)原子的躍遷頻率與表面場(chǎng)的共振頻率發(fā)生失諧時(shí)，若原子間的相互關(guān)聯(lián)較強(qiáng)，依然能夠產(chǎn)生糾纏。
　　其次，我們研究了由

5、拓?fù)浣^緣體組成的光學(xué)微腔中，三能級(jí)Zeeman原子的量子干涉效應(yīng)。由于拓?fù)潆姶判?yīng)的存在，當(dāng)微腔的長(zhǎng)度小于半個(gè)真空波長(zhǎng)時(shí)，原子平行于腔鏡的偶極躍遷將受到抑制，而垂直方向的偶極躍遷則得到加強(qiáng)。而當(dāng)拓?fù)潆姶判?yīng)極強(qiáng)時(shí)，平行于腔鏡的偶極輻射將完全消失，此時(shí)處于腔中的原子能夠產(chǎn)生極強(qiáng)的量子干涉效應(yīng)。若微腔的長(zhǎng)度增大，由于腔內(nèi)電磁場(chǎng)的不均勻分布，將使得此時(shí)量子干涉的強(qiáng)度取決于原子在腔中所處的位置，呈現(xiàn)出相干電磁波疊加后的波動(dòng)特性。實(shí)際情況下，材料

6、將存在一定的能量損耗。結(jié)果表明，該損耗僅在腔鏡附近一段很小的區(qū)域內(nèi)對(duì)原子的自發(fā)輻射有著較大的影響。因而當(dāng)原子處于該區(qū)域時(shí)，由于其它電磁模式對(duì)自發(fā)輻射的貢獻(xiàn)小于耗散對(duì)原子的影響，量子干涉效應(yīng)將受到破壞而大幅度下降。在原子遠(yuǎn)離腔鏡后，損耗對(duì)量子干涉的影響將逐漸消失，對(duì)應(yīng)的情況與無損耗時(shí)基本一致。
　　最后，我們討論了處于石墨烯表面附近的二能級(jí)量子點(diǎn)的輻射性質(zhì)。在太赫茲頻段，量子點(diǎn)的Purcell系數(shù)隨頻率變化而表現(xiàn)出近似洛倫茲型的分布

7、。并且，隨著環(huán)境溫度的增加，該分布將趨于平均，同時(shí)Purcell系數(shù)較零溫時(shí)有所下降。將量子點(diǎn)置于表面等離子體場(chǎng)的工作區(qū)域內(nèi)，通過調(diào)節(jié)泵浦激光場(chǎng)的強(qiáng)度和中心頻率，當(dāng)修飾量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩條躍遷通道以不同的速率進(jìn)行衰變時(shí)，共振熒光譜中將出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象。適當(dāng)?shù)臏p小量子點(diǎn)到石墨烯的距離，使得量子點(diǎn)與表面場(chǎng)的耦合強(qiáng)度增大，可以克服量子點(diǎn)退相干作用對(duì)壓縮的破壞。當(dāng)修飾量子點(diǎn)的布居差極大時(shí)，合理地選取實(shí)驗(yàn)參數(shù)，室溫下的壓縮強(qiáng)度將有可能大于零溫時(shí)的情況。此