新型人工材料中量子系統(tǒng)的動力學演化及非經(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)。在認識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真空環(huán)境的影響。隨著實驗生產(chǎn)技術的發(fā)展，特異材料(metamaterials)、拓撲絕緣體(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知框架上加以設計和制備的，具有負折射率

2、及電磁透明等獨特的光學性質(zhì)。在拓撲絕緣體中，當無能隙表面態(tài)的時間反演對稱性遭到破壞時，其光學性質(zhì)將受到拓撲量的修飾而表現(xiàn)出類似法拉第旋光效應等特殊的電磁現(xiàn)象。而在石墨烯薄層中，通過調(diào)節(jié)門電壓或化學摻雜的濃度及類型，能夠調(diào)控其在不同頻段的光學性質(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)材料不同的光學性質(zhì)實現(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，我們研究了兩個二能級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，厚度相同的單負材料板組成。為了能夠激發(fā)兩平板材料交界處的表面場并與之產(chǎn)生較強的耦合，我們將原子對置于交界面附近。假設系統(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。當材料厚度遠大于表面場的特征長度時，格林函數(shù)能夠得到簡化并具有解析表達式。通過求解系

4、統(tǒng)的運動方程可以得知，存在一個臨界值，當對稱模式、反對稱模式與表面場的相互作用強度處于其兩端時，系統(tǒng)將表現(xiàn)出不同的動力學性質(zhì)。具體來說，對應于不同情況，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間逐漸增大，并長時間保持等特性。此外，當原子的躍遷頻率與表面場的共振頻率發(fā)生失諧時，若原子間的相互關聯(lián)較強，依然能夠產(chǎn)生糾纏。
　　其次，我們研究了由

5、拓撲絕緣體組成的光學微腔中，三能級Zeeman原子的量子干涉效應。由于拓撲電磁效應的存在，當微腔的長度小于半個真空波長時，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。而當拓撲電磁效應極強時，平行于腔鏡的偶極輻射將完全消失，此時處于腔中的原子能夠產(chǎn)生極強的量子干涉效應。若微腔的長度增大，由于腔內(nèi)電磁場的不均勻分布，將使得此時量子干涉的強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特性。實際情況下，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)對原子的自發(fā)輻射有著較大的影響。因而當原子處于該區(qū)域時，由于其它電磁模式對自發(fā)輻射的貢獻小于耗散對原子的影響，量子干涉效應將受到破壞而大幅度下降。在原子遠離腔鏡后，損耗對量子干涉的影響將逐漸消失，對應的情況與無損耗時基本一致。
　　最后，我們討論了處于石墨烯表面附近的二能級量子點的輻射性質(zhì)。在太赫茲頻段，量子點的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Purcell系數(shù)較零溫時有所下降。將量子點置于表面等離子體場的工作區(qū)域內(nèi)，通過調(diào)節(jié)泵浦激光場的強度和中心頻率，當修飾量子點對應的兩條躍遷通道以不同的速率進行衰變時，共振熒光譜中將出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象。適當?shù)臏p小量子點到石墨烯的距離，使得量子點與表面場的耦合強度增大，可以克服量子點退相干作用對壓縮的破壞。當修飾量子點的布居差極大時，合理地選取實驗參數(shù)，室溫下的壓縮強度將有可能大于零溫時的情況。此