【摘要】：近年來(lái),超冷量子氣體研究的實(shí)驗(yàn)和理論的突破開(kāi)啟了探索量子多體物理的一個(gè)新的篇章。隨著冷原子技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)能夠在原子系綜中建立理想的光學(xué)晶格,并大范圍調(diào)控原子間相互作用和晶格構(gòu)型,這也使得在實(shí)驗(yàn)室中廣泛地模擬凝聚態(tài)現(xiàn)象成為可能。然而,單純的激光冷卻與俘獲只能實(shí)現(xiàn)原子間的短程碰撞相互作用,這在很大程度上限制了對(duì)由更長(zhǎng)程相互作用誘導(dǎo)的復(fù)雜量子行為的進(jìn)一步探索。幸運(yùn)的是,由光學(xué)微腔輔助的動(dòng)力學(xué)原子-光子耦合提供了一個(gè)理想的解決方案。通過(guò)與輻射場(chǎng)交換光子,微腔中的超冷原子之間可以建立間接的長(zhǎng)程相互作用。原子-微腔系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它能夠最大程度地凸顯出光子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),從而可以探索由光與物質(zhì)場(chǎng)集體行為誘導(dǎo)的新奇物態(tài)。值得一提的是,由T.Essilinger教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組最近在BEC-腔系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)了格點(diǎn)玻色子之間的無(wú)限長(zhǎng)程相互作用,并首次觀測(cè)到光子誘導(dǎo)的長(zhǎng)程相互作用和短程相互作用競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的各種量子相,這為進(jìn)一步理解光與原子的集體動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。本論文主要在理論上研究微腔中光與原子的各種集體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,重點(diǎn)關(guān)注光場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)的量子相變,主要內(nèi)容可以概括為下幾個(gè)方面:(1)研究了一種雙模Dicke模型的基態(tài)和激發(fā)態(tài)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),改變?cè)?光子耦合強(qiáng)度,該系統(tǒng)展示出豐富的相圖:包括無(wú)光子激發(fā)的正常相,兩個(gè)光子模式各自獨(dú)立激發(fā)的電超輻射相和磁超輻射相,以及兩個(gè)模式共同激發(fā)的電磁超輻射相。我們分析了系統(tǒng)的對(duì)稱性和激發(fā)譜,發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)原子-光子集體耦合強(qiáng)度相等時(shí),系統(tǒng)存在一個(gè)隱藏的連續(xù)U(1)對(duì)稱性,如果耦合強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),系統(tǒng)進(jìn)入U(xiǎn)(1)對(duì)稱性破缺的電磁超輻射相,在這個(gè)相區(qū)內(nèi),存在一支無(wú)能隙的激發(fā)譜(Nambu-Goldstone模式)。(2)發(fā)現(xiàn)單模量子化光場(chǎng)與三能級(jí)粒子相互作用時(shí)存在一個(gè)幺正不變的相位?,并探索了該相位和系統(tǒng)對(duì)稱性的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)?取不同值時(shí),系統(tǒng)顯示出Z_2~E,Z_2~M,平庸U(1)和非平庸U(1)的對(duì)稱性。這些對(duì)稱性的破缺分別對(duì)應(yīng)四個(gè)不同的量子相,即電超輻射相,磁超輻射相,正常相和U(1)電磁超輻射相。我們提供了一個(gè)可行的冷原子實(shí)驗(yàn)方案來(lái)探測(cè)相關(guān)的物理,該方案中的模型參數(shù)原則上可以大范圍地獨(dú)立調(diào)節(jié)。(3)將里德堡原子與腔陣列系統(tǒng)結(jié)合,提出一種拓展的Jaynes-Cummings-Lattice模型。該模型中,綴飾了原子態(tài)的光子之間會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)程排斥相互作用。我們發(fā)現(xiàn)了一系列由這個(gè)長(zhǎng)程排斥勢(shì)誘導(dǎo)的新奇量子相。(4)為了深入理解超強(qiáng)耦合下的格點(diǎn)光子系統(tǒng)與玻色-哈伯德模型的關(guān)系,我們提出一種新型的雙模Dicke-Lattice模型。由于該模型計(jì)入了相互作用過(guò)程中所有的反旋波項(xiàng),因此適用于包括超強(qiáng)耦合在內(nèi)的所有參數(shù)區(qū)間。我們發(fā)現(xiàn),與玻色-哈伯德模型類似,雙模Dicke-lattice模型中也存在Mott葉片結(jié)構(gòu)和超流-Mott絕緣體相變。有趣的是,這里的葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地依賴于每個(gè)腔中的原子數(shù)。(5)研究了一維腔誘導(dǎo)光學(xué)晶格中費(fèi)米子的磁序問(wèn)題。腔增強(qiáng)的原子-光子耦合會(huì)帶來(lái)費(fèi)米子之間的動(dòng)力學(xué)長(zhǎng)程相互作用,這種長(zhǎng)程相互作用與短程相互作用的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)系統(tǒng)出現(xiàn)豐富的磁序。利用數(shù)值密度矩陣重整化群的方法,我們深入研究了各個(gè)磁序,并得到穩(wěn)態(tài)相圖。有趣的是,由于所有的相變過(guò)程都發(fā)生在超輻射區(qū)域以外,這些磁序本質(zhì)上是由腔場(chǎng)漲落誘導(dǎo)的。
【圖文】：

微腔中的單模電磁場(chǎng)以耦合強(qiáng)度g與二能級(jí)原子相互作用，，圖中是腔光子的損耗率，是原子自發(fā)輻射率，transitt是原子與腔的作用時(shí)間

左圖：裸態(tài)的能級(jí)分布
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O413

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2 趙永生,杜國(guó)同,姜秀英,韓偉華,李雪梅,宋俊峰,高鼎三;一種新型半導(dǎo)體超輻射集成光源[J];高技術(shù)通訊;1998年01期

3 姜幼明,陳雅深,楊震華;自由電子激光同步振蕩邊帶超輻射的數(shù)值模擬研究[J];強(qiáng)激光與粒子束;1993年01期

4 顧樵;一種描述超輻射的簡(jiǎn)單方法[J];中國(guó)激光;1986年12期

5 陳小誠(chéng),何偉明;x射線超輻射[J];量子電子學(xué);1986年03期

6 呂忠和;;斜面棒對(duì)激光輸出特性的影響[J];應(yīng)用光學(xué);1987年03期

7 顧樵;超輻射的壓縮[J];中國(guó)激光;1988年03期

8 孫

本文編號(hào)：2616356