基于电磁诱导透明的量子热机研究

作     者：时子豪 

作者单位：东北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴金辉

授予年度：2020年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：EIT 量子热机 量子相干 

摘      要：电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency)是量子光学领域中一种非常有趣的现象,它是由多能级原子和相干光场相互作用过程中产生的原子相干和量子干涉效应导致的。它的发现带来了许多有价值的应用,例如,光群速度减慢、可逆光存储和非线性增强等。从发现至今,人们一直在研究它的潜在价值。近几年,量子热机在许多应用方面也有了发展和进步,甚至在一些特殊的条件下其可以克服卡诺热机的极限值,量子热机可以通过量子相干性来大幅度调节。所以有人把量子热机与电磁诱导透明相结合,利用EIT构建一种非传统的近似理想的量子热机。我们对此进行了深入地研究和学习。在前人的研究工作基础之上,我们进行了改进,我们在本文中提出了两种方案:第一个方案是在原有Harris的工作基础上,通过在两个低能级之间增加一个微波场,来达到增强输出亮度的效果;第二个方案是考虑在非均匀加宽固态介质中如何实现量子热机,研究发现并不是所有的材料都适合用来实现量子热机。第一个方案中,我们通过在三能级A-型的原子系统中外加一个微波场来调节吸收截面和发射截面。我们发现这种微波辅助的原子系统,只有当(i)所有的激光或者微波场和他们各自相关的跃迁共振时;(ⅱ)这些场之间的相对相位是nπ(n=0,±1,±2,……)时,它才表现出类似于热机的行为。尤其是在无反转激光的阈值之下,热机输出场的亮度随着微波场强度的增大而增强,并且在一个弱的微波场下,它的亮度是没有加入微波场的十倍(甚至更多)。同时我们也注意到,微波场可以等效地增强(减弱)热(冷)库的温度。第二个方案中,我们在理论上给出了如何用非均匀加宽固态介质来实现量子热机。固态介质的主要特性是其会产生光学跃迁和自旋跃迁的非均匀展宽。我们从数学上验证了一种替换方法,即从均匀加宽气态介质的极化率通过积分后得到非均匀加宽固态介质的极化率,这其中存在一种较为简单的替换方法,并且关于选择的材料是否能实现量子热机,我们给出了一个条件表达式,并且选取了两种不同的材料进行讨论。我们发现符合条件的材料能在线中心处产生即窄又亮的亮度。