【摘要】：超冷原子量子氣體是當(dāng)前原子分子和光物理領(lǐng)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(jì)規(guī)律,在低溫下可發(fā)生相變,形成玻色愛因斯坦凝聚;費(fèi)米原子氣體服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì),在低溫下可形成費(fèi)米量子簡并。近二十年來,實(shí)驗(yàn)上利用Feshbach共振技術(shù),原子間的散射強(qiáng)度實(shí)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)。特別是在幺正費(fèi)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(biāo)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(qiáng)相互作用的費(fèi)米氣體由于其在溫度、原子間的相互作用強(qiáng)度以及外加俘獲勢等參量可控的性質(zhì),它還是研究高溫超導(dǎo)、模擬夸克-膠子等離子以及多體動力學(xué)等理想的實(shí)驗(yàn)平臺。另一方面,在量子光學(xué)中研究光與物質(zhì)相互作用通常采用的是腔量子電動力學(xué)。通過減小光學(xué)或微波腔的模體積可以極大的增強(qiáng)光場和物質(zhì)的耦合,使其大于物質(zhì)和腔的耗散,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合,從而導(dǎo)致一系列新的量子效應(yīng),比如原子自發(fā)輻射反轉(zhuǎn)、量子糾纏、非經(jīng)典光場、單光子開關(guān)、量子存儲和量子計(jì)算等。近十多年間,一個重要的研究領(lǐng)域是將超冷原子氣體與腔量子電動力學(xué)相結(jié)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(zhì)場的量子效應(yīng)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(xué)特性又會反饋于自己。其次,在光學(xué)性質(zhì)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(shí)驗(yàn)上已實(shí)現(xiàn)了玻色愛因斯坦凝聚體(BEC)與腔QED的結(jié)合,研究內(nèi)容涉及光學(xué)腔中超流氣體的Dicke量子相變、原子在光學(xué)腔內(nèi)自洽場中的自組織結(jié)構(gòu)以及光力學(xué)等等。超冷費(fèi)米原子氣體由于其與BEC不同的量子統(tǒng)計(jì)規(guī)律和強(qiáng)相互作用的可控性,和腔QED相結(jié)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(xué)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(fèi)米超輻射躍變等等,但超冷費(fèi)米氣體與腔QED的結(jié)合在實(shí)驗(yàn)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(xué)腔和超冷費(fèi)米原子的相耦合,具體包括:研制了高精細(xì)度的光學(xué)腔;利用Feshbach共振技術(shù),實(shí)現(xiàn)了光學(xué)腔內(nèi)~6Li費(fèi)米原子的量子簡并;研究了強(qiáng)相互作用下,光學(xué)腔和超冷費(fèi)米原子的強(qiáng)耦合系統(tǒng)的Rabi分裂等動力學(xué)問題。主要的工作如下:1.搭建了~6Li費(fèi)米原子簡并氣體精密控制的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(xué)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(yuǎn)失諧偶極阱中,利用Feshbach共振技術(shù),進(jìn)行蒸發(fā)冷卻,最終將原子在自由空間中冷到了費(fèi)米簡并。2.研制了高精細(xì)度FP腔,完成了光學(xué)腔頻率的精確鎖定。實(shí)驗(yàn)中所用的光學(xué)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(xué)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(xué)腔上,保證激光和腔模的頻率共振,然后再將科學(xué)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(xué)腔的動力學(xué)研究。主要研究了波包引起的腔場的窄帶激發(fā)和準(zhǔn)前驅(qū)激發(fā)。當(dāng)入射波包的脈沖寬度大于光學(xué)腔的時域線寬時,透射譜跟隨入射波包的時間演化。當(dāng)入射波包是一個很短的脈沖,脈沖寬度小于光學(xué)腔的時域線寬時,這時腔場發(fā)生準(zhǔn)前驅(qū)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(xué)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(guān)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(xué)前驅(qū)尖峰。4.實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米簡并氣體和高精細(xì)度光學(xué)腔的結(jié)合。實(shí)驗(yàn)中最為關(guān)鍵的一步為將自由空間中的簡并費(fèi)米氣體裝載到FP腔形成的駐波勢阱中。實(shí)驗(yàn)上采用的是絕熱轉(zhuǎn)移的方法:首先將原子制備在腔中心位置,當(dāng)達(dá)到簡并之后,緩慢地打開駐波勢阱,將原子進(jìn)行轉(zhuǎn)移,等轉(zhuǎn)移完成后,再絕熱的將偶極勢阱關(guān)掉。這樣就成功的獲得了費(fèi)米簡并氣體和光學(xué)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(guān)系。此外,運(yùn)用此套系統(tǒng),還初步研究了光學(xué)腔內(nèi)費(fèi)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(guān)聯(lián)譜。操縱光子激發(fā)的本質(zhì)是量子光學(xué)和光子學(xué)的基本任務(wù)之一。不斷增長的量子應(yīng)用需要一種強(qiáng)大的方法來控制光子和物質(zhì)的強(qiáng)耦合相干相互作用。我們在理論上研究了強(qiáng)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(guān)函數(shù)和傳輸光子流進(jìn)行光學(xué)操作。我們已實(shí)現(xiàn)了超冷費(fèi)米原子氣體和光學(xué)腔的強(qiáng)耦合,研究了腔量子電動力學(xué)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(guān),還和其密度有關(guān)。我們還研究了費(fèi)米超輻射現(xiàn)象,這些為將來實(shí)現(xiàn)光學(xué)腔內(nèi)費(fèi)米超流、費(fèi)米-哈珀模型以及其他新奇的相變打下了重要的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O56

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