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《山西大学》 2018年
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微腔中光与原子的集体动力学及量子相变

樊景涛  
【摘要】:近年来,超冷量子气体研究的实验和理论的突破开启了探索量子多体物理的一个新的篇章。随着冷原子技术的发展,人们已经能够在原子系综中建立理想的光学晶格,并大范围调控原子间相互作用和晶格构型,这也使得在实验室中广泛地模拟凝聚态现象成为可能。然而,单纯的激光冷却与俘获只能实现原子间的短程碰撞相互作用,这在很大程度上限制了对由更长程相互作用诱导的复杂量子行为的进一步探索。幸运的是,由光学微腔辅助的动力学原子-光子耦合提供了一个理想的解决方案。通过与辐射场交换光子,微腔中的超冷原子之间可以建立间接的长程相互作用。原子-微腔系统的另一个优势是它能够最大程度地凸显出光子的动力学性质,从而可以探索由光与物质场集体行为诱导的新奇物态。值得一提的是,由T.Essilinger教授领导的实验组最近在BEC-腔系统中成功实现了格点玻色子之间的无限长程相互作用,并首次观测到光子诱导的长程相互作用和短程相互作用竞争导致的各种量子相,这为进一步理解光与原子的集体动力学奠定了基础。本论文主要在理论上研究微腔中光与原子的各种集体动力学问题,重点关注光场与物质场的量子相变,主要内容可以概括为下几个方面:(1)研究了一种双模Dicke模型的基态和激发态性质。研究发现,改变原子-光子耦合强度,该系统展示出丰富的相图:包括无光子激发的正常相,两个光子模式各自独立激发的电超辐射相和磁超辐射相,以及两个模式共同激发的电磁超辐射相。我们分析了系统的对称性和激发谱,发现当两个原子-光子集体耦合强度相等时,系统存在一个隐藏的连续U(1)对称性,如果耦合强度进一步增强,系统进入U(1)对称性破缺的电磁超辐射相,在这个相区内,存在一支无能隙的激发谱(Nambu-Goldstone模式)。(2)发现单模量子化光场与三能级粒子相互作用时存在一个幺正不变的相位?,并探索了该相位和系统对称性的关系。我们发现,当?取不同值时,系统显示出Z_2~E,Z_2~M,平庸U(1)和非平庸U(1)的对称性。这些对称性的破缺分别对应四个不同的量子相,即电超辐射相,磁超辐射相,正常相和U(1)电磁超辐射相。我们提供了一个可行的冷原子实验方案来探测相关的物理,该方案中的模型参数原则上可以大范围地独立调节。(3)将里德堡原子与腔阵列系统结合,提出一种拓展的Jaynes-Cummings-Lattice模型。该模型中,缀饰了原子态的光子之间会产生长程排斥相互作用。我们发现了一系列由这个长程排斥势诱导的新奇量子相。(4)为了深入理解超强耦合下的格点光子系统与玻色-哈伯德模型的关系,我们提出一种新型的双模Dicke-Lattice模型。由于该模型计入了相互作用过程中所有的反旋波项,因此适用于包括超强耦合在内的所有参数区间。我们发现,与玻色-哈伯德模型类似,双模Dicke-lattice模型中也存在Mott叶片结构和超流-Mott绝缘体相变。有趣的是,这里的叶片结构强烈地依赖于每个腔中的原子数。(5)研究了一维腔诱导光学晶格中费米子的磁序问题。腔增强的原子-光子耦合会带来费米子之间的动力学长程相互作用,这种长程相互作用与短程相互作用的竞争导系统出现丰富的磁序。利用数值密度矩阵重整化群的方法,我们深入研究了各个磁序,并得到稳态相图。有趣的是,由于所有的相变过程都发生在超辐射区域以外,这些磁序本质上是由腔场涨落诱导的。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O413

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