漲落是物理世界中最普遍的現(xiàn)象,在有限溫度下,任何物理系統(tǒng)都有漲落。對(duì)漲落的認(rèn)識(shí)不僅有助于我們理解經(jīng)典物理系統(tǒng)的耗散,也可以幫我們把握量子系統(tǒng)的退相干行為。在大多數(shù)情況的,宏觀系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為表現(xiàn)出經(jīng)典的漲落特性,而微觀系統(tǒng)如原子,電子自旋等的動(dòng)力學(xué)演化卻由量子力學(xué)來(lái)描述。這種經(jīng)典與量子的區(qū)別一直是困擾物理學(xué)家的課題。在從微觀到宏觀的過(guò)程中,量子力學(xué)的可逆演化特征是如何向經(jīng)典的不可逆漲落轉(zhuǎn)變的?宏觀尺度的量子效應(yīng)如何存在?實(shí)驗(yàn)上深入觀察宏觀,復(fù)雜系統(tǒng)的漲落行為,并在此基礎(chǔ)上對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效的控制,對(duì)探索這類(lèi)問(wèn)題有著潛在的重要意義。 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新物理體系,諸如超導(dǎo),超流,冷原子,自旋系綜以及納米力學(xué)等,為我們提供了研究這些問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)手段,這些系統(tǒng)一方面在空間尺寸或粒子數(shù)量上具有和傳統(tǒng)的單量子系統(tǒng)相比更加宏觀的特征,另一方面又能在特定條件下表現(xiàn)出很強(qiáng)的量子效應(yīng),特別是納米力學(xué)系統(tǒng),近年來(lái)在量子科學(xué)研究領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。 在這篇博士論文中的工作中,我們自行搭建的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了新的實(shí)驗(yàn)技術(shù),以此研究了一個(gè)準(zhǔn)宏觀和一個(gè)宏觀物理的漲落動(dòng)力學(xué)行為。特別的,我們將展示兩種從未被觀測(cè)到過(guò)的反常漲落動(dòng)力學(xué)行為。這些為將來(lái)我們開(kāi)展基于納米力學(xué)的宏觀量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究打下了關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。 1.借助新近發(fā)展起來(lái)的單電子自旋量子干涉儀,我們研究了由核自旋系綜構(gòu)成的準(zhǔn)宏觀系統(tǒng)的漲落行為,我們首先實(shí)現(xiàn)了借助單電子的朗道-齊納干涉過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋系綜漲落強(qiáng)度的精確測(cè)量。更進(jìn)一步的,我們借助高階的動(dòng)力學(xué)去耦技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)這個(gè)準(zhǔn)宏觀宏觀系統(tǒng)的操控,并且首次觀測(cè)到了該系統(tǒng)漲落中的量子效應(yīng)。 2.為了研究真正意義上的宏觀系統(tǒng),我們搭建了室溫下納米力學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并且借助光纖干涉儀,實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米機(jī)械振子在室溫下熱漲落的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。特別的,我們通過(guò)力學(xué)系統(tǒng)中的參數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)過(guò)程產(chǎn)生中的反作用噪聲的有效抑制,該技術(shù)為將來(lái)實(shí)現(xiàn)接近量子極限的機(jī)械振子運(yùn)動(dòng)測(cè)量提供了潛在的手段。 3.室溫下的熱漲落是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大大過(guò)量子動(dòng)力學(xué)行為的,我們因此進(jìn)一步搭建了一套低溫力學(xué)系統(tǒng)探測(cè)平臺(tái)。特別的,我們借助對(duì)單個(gè)化學(xué)鍵形成過(guò)程中的特殊力學(xué)作用的精確控制,實(shí)現(xiàn)了目前力學(xué)系統(tǒng)中最強(qiáng)的非線性響應(yīng),這使得我們?cè)诩{米機(jī)械振子上觀測(cè)到了一種特殊的非線性漲落行為-雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)躍遷,該行為雖然早有理論研究,但是從未在宏觀固體系統(tǒng)中觀測(cè)到過(guò)。這為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量子漲落誘發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)隧穿等宏觀量子效應(yīng)提供了的關(guān)鍵的技術(shù)突破。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：O413.1
【部分圖文】：

圖1.1量子科學(xué)從微觀單粒子到宏觀多粒丫?的發(fā)展趨勢(shì)。a,原/?的波函數(shù)分布的示意圖。原丫?和經(jīng)典的粒/?不同，其位置和動(dòng)量無(wú)法同時(shí)定義，這是量了?力學(xué)的結(jié)論之一。b，廣義相對(duì)論的預(yù)言之一——黑洞的示意圖，廣義相對(duì)論的重要假設(shè)是位置和動(dòng)攝可以同時(shí)確定，更?耍的是，廣義相對(duì)論是非線性的理論，與垣丫?力學(xué)有著本質(zhì)的不同。是無(wú)法很輕易的移動(dòng)某一個(gè)粒子的位置的（因?yàn)榱Ｗ咏粨Q對(duì)稱(chēng)性），這也能形成

圖1.2抑制宏觀系統(tǒng)漲落的關(guān)鍵在于存在剛性：構(gòu)成宏觀物體的圍觀粒子需要保持相位的相干。a，經(jīng)典的剛性：固體材料，貴輪如果推動(dòng)一個(gè)部位，整體都會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這樣的剛性是由固體材料的微觀粒./?形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵帶來(lái)的。b,c,量了?剛性，超導(dǎo)中的載流子可以實(shí)現(xiàn)無(wú)阻力運(yùn)動(dòng)（b)，超流的流動(dòng)也是保持整體相位相對(duì)固定，從而產(chǎn)生無(wú)摩擦力的運(yùn)動(dòng)（C)，和經(jīng)典的剛性不同，超流和超導(dǎo)在微觀下的相互作用是弱的，更像是液體，然而，其特殊的對(duì)稱(chēng)性帶來(lái)了其剛性的存在。d，拓?fù)浞�(wěn)定性：拓?fù)浣^緣體，就算局部的能量發(fā)生變化，甚至物質(zhì)兒何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，只要不改變系統(tǒng)整體的對(duì)稱(chēng)性，仍然能保持宏觀量子特性不變，例如量子霍爾效應(yīng)，就與時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)破壞的密切關(guān)系，這一屬性產(chǎn)生了特殊的輸運(yùn)行為，不受材料的尺寸，形狀，以及局部的缺陷的影響。只是有能隙是不夠的，產(chǎn)生貴子性的另一個(gè)必要條件是引入足夠強(qiáng)的非線性效應(yīng)，而這一非線性器件最早由約瑟夫森理論預(yù)言，之后很快在實(shí)驗(yàn)上得到驗(yàn)證[36—39】，進(jìn)而逐漸發(fā)展成為超導(dǎo)量子干涉儀。隨著納米加工技術(shù)的發(fā)展，基于超導(dǎo)的量子器件的空間尺寸已經(jīng)達(dá)到了幾百微米量級(jí)，然而，如果計(jì)算量子干涉中涉及的粒子數(shù)（庫(kù)伯對(duì)的數(shù)目），其量級(jí)在幾十萬(wàn)之內(nèi)相比于傳統(tǒng)的單量子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是，這是一個(gè)很巨大的數(shù)目了，O9是和幾百微米的超導(dǎo)的器件中包含的載流子數(shù)目來(lái)說(shuō)，還是一個(gè)很小的量。

圖1.3超導(dǎo)量子系統(tǒng)。a,由超導(dǎo)環(huán)和約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的干涉儀，電流的大小由磁場(chǎng)控制。b,商用的超導(dǎo)干涉磁場(chǎng)探測(cè)器。C，D-Wave公司的超導(dǎo)量子退火芯片。1.2.2液氦超流超流和超導(dǎo)類(lèi)似，其員子性來(lái)自于微觀下粒子特殊的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)于氦-4原子，其本身就是是波色子，在足夠的低的溫度下，發(fā)生波色-愛(ài)因斯坦凝聚，系統(tǒng)就自然的形成宏觀最子基態(tài)。理論上，這種特殊的流體中，唯一的元激發(fā)就是聲子，也就是機(jī)械波，而機(jī)械波的特點(diǎn)是其特殊的色散關(guān)系，其能段在低頻極限下是線性正比于動(dòng)量，這一性質(zhì)使得該流體有一個(gè)特殊的性質(zhì)，即在環(huán)境的振動(dòng)速度足夠小的時(shí)候（遠(yuǎn)小于機(jī)械波的聲速），該流體將完全和環(huán)境相互脫離，因此導(dǎo)致環(huán)境的擾動(dòng)不會(huì)造成系統(tǒng)的漲落，從而確保了宏觀量子相干性[221，并使其能夠無(wú)摩擦的流動(dòng)[57]。而實(shí)際的，漲落仍然不可避免_。與超導(dǎo)類(lèi)似，要想實(shí)驗(yàn)上量子行為的觀測(cè)，需要一個(gè)非線性器件，也就是需要一個(gè)超

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2818445