【摘要】：超冷原子量子氣體是當前原子分子和光物理領域的重要研究方向。其中,玻色原子服從玻色-愛因斯坦量子統(tǒng)計規(guī)律,在低溫下可發(fā)生相變,形成玻色愛因斯坦凝聚;費米原子氣體服從費米-狄拉克統(tǒng)計,在低溫下可形成費米量子簡并。近二十年來,實驗上利用Feshbach共振技術,原子間的散射強度實現(xiàn)了從零到趨于無窮大的連續(xù)調(diào)控,從而使得可控相互作用的量子氣體成為當前研究的熱點。特別是在幺正費米氣體中,s波散射長度趨于無窮大,原子間距成為長度的唯一標度,氣體表現(xiàn)出了普適的特性,這對于研究原子的低溫多體散射理論和新奇的多體相變等具有重要的意義。同時強相互作用的費米氣體由于其在溫度、原子間的相互作用強度以及外加俘獲勢等參量可控的性質,它還是研究高溫超導、模擬夸克-膠子等離子以及多體動力學等理想的實驗平臺。另一方面,在量子光學中研究光與物質相互作用通常采用的是腔量子電動力學。通過減小光學或微波腔的模體積可以極大的增強光場和物質的耦合,使其大于物質和腔的耗散,實現(xiàn)強耦合,從而導致一系列新的量子效應,比如原子自發(fā)輻射反轉、量子糾纏、非經(jīng)典光場、單光子開關、量子存儲和量子計算等。近十多年間,一個重要的研究領域是將超冷原子氣體與腔量子電動力學相結合,這是一個新奇的量子多體系統(tǒng)。在這樣低溫的原子氣體內(nèi),光場和原子物質場的量子效應都變得非常重要。此時的光場具有雙重作用,首先,它調(diào)控原子間的相互作用,產(chǎn)生新的物相,反過來,它的動力學特性又會反饋于自己。其次,在光學性質如原子的吸收和色散的探測方面,輸出光場可以作為一種無損的探測場。目前,實驗上已實現(xiàn)了玻色愛因斯坦凝聚體(BEC)與腔QED的結合,研究內(nèi)容涉及光學腔中超流氣體的Dicke量子相變、原子在光學腔內(nèi)自洽場中的自組織結構以及光力學等等。超冷費米原子氣體由于其與BEC不同的量子統(tǒng)計規(guī)律和強相互作用的可控性,和腔QED相結合可以研究Fermi-Hubbard模型、發(fā)現(xiàn)任意子等新奇相變。盡管一些理論學家已經(jīng)對這樣的系統(tǒng)展開了研究,比如原子間的長程相互作用、系統(tǒng)的平衡相圖和費米超輻射躍變等等,但超冷費米氣體與腔QED的結合在實驗上剛剛起步,因此具有廣闊的研究前景。本論文的主要內(nèi)容為研究光學腔和超冷費米原子的相耦合,具體包括:研制了高精細度的光學腔;利用Feshbach共振技術,實現(xiàn)了光學腔內(nèi)~6Li費米原子的量子簡并;研究了強相互作用下,光學腔和超冷費米原子的強耦合系統(tǒng)的Rabi分裂等動力學問題。主要的工作如下:1.搭建了~6Li費米原子簡并氣體精密控制的實驗平臺。系統(tǒng)包含MOT俘獲激光系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)(10~(-11)托)、精確可控的Feshbach磁場系統(tǒng)、大功率遠失諧偶極俘獲系統(tǒng)(FORT)以及EM-CCD成像系統(tǒng)。首先采用磁光阱俘獲大量的原子,利用二級冷卻和光學再泵浦,將原子冷到接近多普勒冷卻極限溫度,然后裝載到遠失諧偶極阱中,利用Feshbach共振技術,進行蒸發(fā)冷卻,最終將原子在自由空間中冷到了費米簡并。2.研制了高精細度FP腔,完成了光學腔頻率的精確鎖定。實驗中所用的光學腔均為腔長為7.5cm的FP對稱共焦腔。系統(tǒng)包含兩個腔,一個置于真空腔體中,用于囚禁原子,稱作科學腔;另一個置于真空外,作為傳遞腔。頻率鏈的鎖定是首先將激光器頻率鎖定在科學腔上,保證激光和腔模的頻率共振,然后再將科學腔長通過傳遞腔鎖定,不僅可以保持腔長的穩(wěn)定,還可以調(diào)節(jié)腔與原子的失諧。3.波包通過光學腔的動力學研究。主要研究了波包引起的腔場的窄帶激發(fā)和準前驅激發(fā)。當入射波包的脈沖寬度大于光學腔的時域線寬時,透射譜跟隨入射波包的時間演化。當入射波包是一個很短的脈沖,脈沖寬度小于光學腔的時域線寬時,這時腔場發(fā)生準前驅激發(fā),透射譜的下降沿丟失了原來的信息,以e指數(shù)的形式衰減,時間常數(shù)由光學腔內(nèi)光子的壽命決定。同時,透射譜峰值相對于入射譜峰值的延時并不是常數(shù),而是與入射脈沖的寬度相關的。另外,我們還研究了方波脈沖的腔場激發(fā),在反射譜中觀測到了光學前驅尖峰。4.實現(xiàn)了費米簡并氣體和高精細度光學腔的結合。實驗中最為關鍵的一步為將自由空間中的簡并費米氣體裝載到FP腔形成的駐波勢阱中。實驗上采用的是絕熱轉移的方法:首先將原子制備在腔中心位置,當達到簡并之后,緩慢地打開駐波勢阱,將原子進行轉移,等轉移完成后,再絕熱的將偶極勢阱關掉。這樣就成功的獲得了費米簡并氣體和光學腔相耦合的系統(tǒng)。我們利用經(jīng)典的真空拉比分裂的探測手段,測量了系統(tǒng)的綴飾態(tài)能級,研究了劈裂峰和原子密度的關系。此外,運用此套系統(tǒng),還初步研究了光學腔內(nèi)費米原子的超輻射現(xiàn)象。5.理論研究了內(nèi)腔EIT原子系統(tǒng)的三光子關聯(lián)譜。操縱光子激發(fā)的本質是量子光學和光子學的基本任務之一。不斷增長的量子應用需要一種強大的方法來控制光子和物質的強耦合相干相互作用。我們在理論上研究了強耦合腔極化子系統(tǒng)中的三光子躍遷光譜,表明了可以對相關函數(shù)和傳輸光子流進行光學操作。我們已實現(xiàn)了超冷費米原子氣體和光學腔的強耦合,研究了腔量子電動力學中重要的Rabi分裂,發(fā)現(xiàn)了其分裂不僅和原子的數(shù)目有關,還和其密度有關。我們還研究了費米超輻射現(xiàn)象,這些為將來實現(xiàn)光學腔內(nèi)費米超流、費米-哈珀模型以及其他新奇的相變打下了重要的基礎。
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O56

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本文編號：2784736