关键词：
自发辐射
人工材料
量子纠缠
量子干涉效应
压缩荧光谱
摘要：
处于真空中的激发原子,由于受到均匀涨落电磁模式的影响,将自发的辐射出光子,从激发态跃迁至基态。在认识到材料能够修饰原子的自发辐射过程之后,人们开始探索各种新型材料对真空环境的影响。随着实验生产技术的发展,特异材料(metamaterials)、拓扑绝缘体(topological insulators)和石墨烯(graphene)等新型人工材料在2004年前后得以制备。其中,特异材料是基于自然材料的认知框架上加以设计和制备的,具有负折射率及电磁透明等独特的光学性质。在拓扑绝缘体中,当无能隙表面态的时间反演对称性遭到破坏时,其光学性质将受到拓扑量的修饰而表现出类似法拉第旋光效应等特殊的电磁现象。而在石墨烯薄层中,通过调节门电压或化学掺杂的浓度及类型,能够调控其在不同频段的光学性质。在太赫兹频段,石墨烯将表现出类金属的性质,并支持表面等离子体模式的传播。结合上述新型材料的特性,在本文中我们研究了不同材料中原子自发辐射的性质,并根据材料不同的光学性质实现原子间的纠缠,量子干涉及共振荧光谱压缩等-系列非经典现象。首先,我们研究了两个二能级体系在零折射材料中的纠缠特性。其中,零折射材料由两种不同类型,厚度相同的单负材料板组成。为了能够激发两平板材料交界处的表面场并与之产生较强的耦合,我们将原子对置于交界面附近。假设系统处于单激发态,根据薛定谔方程,在不做马尔科夫近似的情况下我们得到了系统的几率幅演化方程。当材料厚度远大于表面场的特征长度时,格林函数能够得到简化并具有解析表达式。通过求解系统的运动方程可以得知,存在一个临界值,当对称模式、反对称模式与表面场的相互作用强度处于其两端时,系统将表现出不同的动力学性质。具体来说,对应于不同情况,系统的演化将分别表现出马尔科夫行为及强相互作用下的非马尔科夫行为。而体系的纠缠受到初态的影响,将表现出从纠缠态逐渐衰减直至消失或随时间逐渐增大,并长时间保持等特性。此外,当原子的跃迁频率与表面场的共振频率发生失谐时,若原子问的相互关联较强,依然能够产生纠缠。其次,我们研究了由拓扑绝缘体组成的光学微腔中,三能级Zeeman原子的量子干涉效应。由于拓扑电磁效应的存在,当微腔的长度小于半个真空波长时,原子平行于腔镜的偶极跃迁将受到抑制,而垂直方向的偶极跃迁则得到加强。而当拓扑电磁效应极强时,平行于腔镜的偶极辐射将完全消失,此时处于腔中的原子能够产生极强的量子干涉效应。若微腔的长度增大,由于腔内电磁场的不均匀分布,将使得此时量子干涉的强度取决于原子在腔中所处的位置,呈现出相干电磁波叠加后的波动特性。实际情况下,材料将存在一定的能量损耗。结果表明,该损耗仅在腔镜附近一段很小的区域内对原子的自发辐射有着较大的影响。因而当原子处于该区域时,由于其它电磁模式对自发辐射的贡献小于耗散对原子的影响,量子干涉效应将受到破坏而大幅度下降。在原子远离腔镜后,损耗对量子干涉的影响将逐渐消失,对应的情况与无损耗时基本一致。最后,我们讨论了处于石墨烯表面附近的二能级量子点的辐射性质。在太赫兹频段,量子点的Purcell系数随频率变化而表现出近似洛伦兹型的分布。并且,随着环境温度的增加,该分布将趋于平均,同时Purcell系数较零温时有所下降。将量子点置于表面等离子体场的工作区域内,通过调节泵浦激光场的强度和中心频率,当修饰量子点对应的两条跃迁通道以不同的速率进行衰变时,共振荧光谱中将出现压缩现象。适当的减小量子点到石墨烯的距离,使得量子点与表面场的耦合强度增大,可以克服量子点退相干作用对压缩的破坏。当修饰量子点的布居差极大时,合理地选取实验参数,室温下的压缩强度将有可能大于零温时的情况。此外,即便是在室温下,通过调节石墨烯的费米能及泵浦光场的强度及中心频率,量子点荧光谱中的压缩现象将能够得到极大增强。
欢迎来到三峡大学图书馆！
