量子微腔中三能级原子腔冷却的研究

论文摘要

原子激光冷却与陷俘是发展最为迅速、成果最为辉煌的物理学研究领域之一。其中,腔冷却原子为研究超低温的冷原子提供了一个非常好的理论平台。近年来物理学家在理论、实验和数值模拟上对原子的腔冷却展开了广泛的研究。本文建立了量子微腔与三能级原子相互作用模型,通过半经典理论和量子理论对三能级原子的腔冷却做了详细地讨论。首先我们系统地回顾了原子的激光冷却的发展历史。扼要介绍了激光冷却和陷俘中性原子的发展脉络,以及激光冷却的应用和最新进展。接着介绍了量子微腔与二能级相互作用模型的基本理论。基于这些基础知识,本文的内容可以根据采用理论方法的不同分为两部分。采用半经典理论的内容概括如下：一,通过麦克斯韦方程组的方法讨论三能级原子与量子微腔的相互作用模型。首先讨论了单模量子微腔与V型三能级原子相互作用模型,接着讨论了双模量子微腔与Λ型三能级原子相互作用模型,利用数值模拟的方法得到Ⅴ型三能级原子的冷却率比二能级原子的冷却率提高了一个数量级。并通过经典的观点和西西弗斯的冷却机制对Λ型三能级原子的腔冷却作了详细地解释。二,从全量子理论出发,给出三能级原子与腔场相互作用体系的主方程,然后利用原子和腔场耦合的维格纳函数W(x,p,α,α*)方法,在考虑原子耗散和腔场耗散的情况下,得出V型三能级原子与腔场相互作用的半经典动力学方程组。根据动力学方程组进行数值模拟,通过对参数的调节可以使原子的冷却率得到提高。采用量子理论的内容概括如下：利用海森堡运动方程的方法,研究量子微腔中三能级原子与腔场相互作用的模型。分别讨论了三型三能级原子与量子微腔相互作用模型和Λ型三能级原子与量子微腔相互作用的模型。从系统的哈密顿量出发,利用旋波近似和旋转变化,给出了系统的主方程。根据海森堡运动方程,推导出三能级原子所受的偶极力以及阻尼力的解析表达式。利用量子回归定理,得出动量扩散系数,并通过爱因斯坦关系,给出系统所达到的平衡温度的表达式。最后通过数值模拟的方法,我们可以给出不同的参数条件下对应的加热区域和致冷区域。在本文的最后,对本文内容的总结和对未来研究工作的展望。

论文目录

• 内容摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• 1.1 引言
• 1.2 激光冷却技术的发展
• 1.2.1 多普勒冷却
• 1.2.2 多普勒冷却
• 1.2.3 腔冷却
• 1.3 本文内容安排
• 第二章 二能级原子与腔场相互作用系统的理论基础
• 2.1 二能级原子与腔场相互作用的模型
• 2.2 开放的量子系统以及主方程
• 2.3 偶极力和阻尼力
• 2.4 力的涨落和动量扩散
• 2.5 小结
• 第三章 半经典理论-麦克斯韦·布洛赫方程
• 3.1 V型三能级原子与单模量子微腔的相互作用
• 3.1.1 模型
• 3.1.2 V型三能级原子的腔冷却率的提高
• 3.2 量子微腔中双膜腔场与Λ型三能级原子的相互作用
• 3.2.1 模型
• 3.2.2 数值模拟和相应的物理解释
• 3.3 小结
• 第四章 原子与腔场相互作用的半经典理论-维格纳函数
• 4.1 模型及公式
• 4.2 数值模拟及相应的物理解释
• 4.3 小结
• 第五章 量子理论-海森堡运动方程
• 5.1 （?）型三能级原子与量子微腔相互作用的力学效应
• 5.1.1 模型
• 5.1.2 数值模拟以及相应的物理解释
• 5.2 Λ型三能级原子与量子微腔相互作用的力学效应
• 5.2.1 偶极力和阻尼力
• 5.2.2 动量扩散系数和平衡温度
• 5.2.3 数值计算
• 5.3 总结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢