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作者：郭蕾青岛大学

学位级别：硕士

玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensates，简称BEC)在稀薄原子气体中的实现引起了人们广泛的关注，是近几年来物理学的一个研究热点，提供了很多有趣的物理现象。本文在平均场理论的框架下以Gross-Pitaevskii方程为基础，对BEC... 详细信息

玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensates，简称BEC)在稀薄原子气体中的实现引起了人们广泛的关注，是近几年来物理学的一个研究热点，提供了很多有趣的物理现象。本文在平均场理论的框架下以Gross-Pitaevskii方程为基础，对BEC中的问题作了一些研究。本文共包括了四个部分：第一章简单介绍了玻色一爱因斯坦凝聚，这种新的物质状态，描述了它的物理性质。包括玻色—爱因斯坦凝聚的统计性质以及它在实验上的实现，还在平均场理论的基础上推导了普通玻色—爱因斯坦凝聚体满足的G-P方程和碟形玻色—爱因斯坦凝聚满足的G-P方程。第二章简单的介绍了光晶格的有关知识，包括光晶格的形成，光学晶格的特点，几中常见的光学晶格以及它的应用，这对以后的实验可以提供一些参考。第三章讨论了囚禁在二维光晶格和磁阱形成的组合势场中的具有相互作用的BEC的性质。通过建立模型，得到所满足的非线性薛定谔方程。通过调节二维光晶格势能的大小使之与BEC原子间的相互作用达到平衡，从而可得到一个线性的方程，求出该方程的解。讨论了二维光晶格中BEC的相变。最后，在第四章中对本文做了简要的总结，并对该领域前景作了展望。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚平均场理论 G-P方程光晶格超流

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低维光晶格中超冷费米气体的奇异量子相研究

低维光晶格中超冷费米气体的奇异量子相研究

作者：陈阿海浙江师范大学

学位级别：硕士

本文主要利用数值方法研究低维光晶格中超冷费米气体的奇异量子相。通过数值技术的开发以及应用,我们主要讨论了光晶格中不同非均匀Hubbard型模型(inhomogeneous Hubbard Model)的奇异量子性质,包括相分离,纯Mott绝缘体相,纯FFLO相等以... 详细信息

本文主要利用数值方法研究低维光晶格中超冷费米气体的奇异量子相。通过数值技术的开发以及应用,我们主要讨论了光晶格中不同非均匀Hubbard型模型(inhomogeneous Hubbard Model)的奇异量子性质,包括相分离,纯Mott绝缘体相,纯FFLO相等以及在有限温度下相应的性质等。首先,我们考虑与自旋有关的外势作用。当系统中存在不同组分的费米气体时,相应的组分将受到不同的外势作用。此时系统可用与自旋相关的非均匀Hubbard模型描述。我们讨论了此时系统的相分离性质,涉及相应系统参量对相分离过程的影响以及相应能量的变化特点等。系统的研究使我们获得了体系的相图并讨论了在相图中所存在的临界最低点及其原因。此研究对协同冷却(sympathetic cooling)技术具有一定意义,同时也提供了一种分离两组分粒子的方法。其次,我们讨论了非对角束缚系统(off-diagonal confinement,简作ODC)中存在的奇异量子相。由于实验上通常需要利用束缚势束缚粒子,从而使得量子相混杂,有别于理论上所期望讨论的均匀系统。ODC系统为解决这个问题提供了一种途径。通过在哈密顿量中设定随着空间变化的跃迁项,我们可以构建ODC系统。在ODC系统中,我们可以获得类似均匀系统的性质。在排斥相互作用的情况下,系统中可以实现纯Mott相。我们讨论了此时系统中存在的各种量子相,尤其是纯Mott相的性质,并得到了此时系统的相图。进一步,我们讨论了系统的关联性质,涉及密度-密度关联函数(density-density correlation function)、自旋关联函数(spin correlation function)、电荷关联函数(charge correlation function)以及各函数的傅立叶变换等。另一方面,在吸引相互作用的情况下,我们讨论了系统中的基本量子相并得到了系统的相图,发现相图中存在纯FFLO相区域。为了表征FFLO相,我们还讨论了对关联函数(pair correlation function)和磁结构因子(magnetic structure factor)等。这些研究为实验寻找FFLO相提供了支持。最后,我们发展了基于热力学Bethe-ansatz精确解的有限温度密度泛函理论(thermodynamic Bethe-ansatz finite-temperature density-functional theory,简作TBA-FTDFT),给出了有限温度下相应奇异量子相的性质。模型的求解涉及到热力学Bethe ansatz解的数值解、参数化以及FTDFTo对于有限温度下Hubbard模型的热力学交换关联势,我们首次给出了一组具有较高精度的参数化方程。同时,通过多维二分法,我们解决了在密度泛函理论(density-functional theory,简作DFT)中长期存在的由于交换关联函数在半盛满附近突变所带来的耦合求解的困难。由此,我们的讨论完全涵盖了有限温度与零温的情况以及任意填充数的情况,从而全面解决了在一般情况下利用密度泛函理论模拟非均匀一维Hubbard模型的问题。本文主要应用数值方法,涉及密度矩阵重整化群(density-matrix renor-malization group,简作DMRG),精确对角化(exact diagonalization,简作ED),DFT以及局域自旋密度近似(local spin-density approximation,简作LSDA)等。通过各种数值方法的交叉验证,保证了各计算结果的可靠性。

关键词：冷原子光晶格相分离非对角束缚系统 Mott相 FFLO相热力学Bethe ansatz解有限温度密度泛函理论

三维光晶格中玻色—爱因斯坦凝聚体维度渡越的研究

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三维光晶格中玻色—爱因斯坦凝聚体维度渡越的研究

作者：张丽丽山西大学

学位级别：硕士

本论文从理论上研究了弱相互作用玻色系统的基态和元激发性质,重点研究了囚禁在二维光晶格和三维各向异性光晶格中的玻色系统,到典型的一维玻色系统Lieb——Liniger模型的过渡。首先,本文将介绍玻色-爱因斯坦凝聚的基本概念、实现条件... 详细信息

本论文从理论上研究了弱相互作用玻色系统的基态和元激发性质,重点研究了囚禁在二维光晶格和三维各向异性光晶格中的玻色系统,到典型的一维玻色系统Lieb——Liniger模型的过渡。首先,本文将介绍玻色-爱因斯坦凝聚的基本概念、实现条件以及平均场理论的基本思想。然后,在平均场理论框架下,利用G-P方程和Bogoliubov理论,人们可以具体计算自由空间中超冷玻色气体的基态能量及其元激发能谱,用两种方法得到的结果是一致的。由系统的基态能量出发,还可以得到玻色系统的量子散射、化学势、压强等其它物理量。进而,基于元激发能谱,可以渐近分析近理想玻色气体在高能区间的近自由粒子激发形式、以及低能极限下的声子激发模式。最后,利用Bogoliubov理论,我们得到了束缚在二维光晶格和三维各向异性光晶格中的BEC系统的基态能量,其特征是依赖于光晶格强度变化的。我们发现,当关闭二维光晶格(2f/gn=0)时,系统的基态能量就可以成功的过渡到一维玻色系统Lieb——Liniger模型的结果;而对于束缚在三维各向异性光晶格中BEC系统的基态能量,我们需要调整x、y方向的晶格强度为零(2t1/gn=0),并且重新定义有效质量α*=9π2/16d2g1Dn1D’此时也可以有效的将三维光晶格中BEC系统的基态能量过渡到一维玻色系统的Lieb——Liniger模型的结果。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚光晶格基态能量元激发谱

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非均匀光晶格中超冷原子的量子相变

非均匀光晶格中超冷原子的量子相变

作者：李艳英东南大学

学位级别：硕士

自从玻色-爱因斯坦凝聚实现以来,超冷原子物理成为了热门的研究领域之一。超冷原子体系是凝聚态物理和原子物理中研究的一项重要课题,它将用于原子干涉仪、冷原子钟、量子计算机的开发以及实现。继在光晶格中预言并且观测到超冷原子的超... 详细信息

自从玻色-爱因斯坦凝聚实现以来,超冷原子物理成为了热门的研究领域之一。超冷原子体系是凝聚态物理和原子物理中研究的一项重要课题,它将用于原子干涉仪、冷原子钟、量子计算机的开发以及实现。继在光晶格中预言并且观测到超冷原子的超流-莫特绝缘体相变之后,人们对光晶格中超冷原子系统中潜在的量子相做了大量的研究。本文基于扩展的玻色-哈伯德模型,对非均匀光晶格中超冷玻色原子体系的基态做了研究,其中光晶格的非均匀性主要体现在以下两个方面:一是额外施加一个谐振势;二是认为光晶格不同格点上原子之间存在不同的相互作用。依据平均场近似以及数值对角化方法,计算了表征体系基态性质的一些参数,即平均粒子数以及序参量,结果表明在合适的参数下非均匀的光晶格中同时存在莫特绝缘相和超流相。全文共分五章,具体如下:第一章首先介绍了玻色-爱因斯坦凝聚的概念以及发展,然后详细回顾了原子冷却与囚禁技术和Feshbach共振技术,最后简要概述了玻色-爱因斯坦凝聚的理论基础,即平均场理论和Gross-Pitaevskii方程。第二章描述了光晶格,量子相变的概念以及用来研究光晶格中超冷原子发生相变的模型。第三章研究了在外加谐振势的二维正方光晶格中超冷原子系统的量子相变,首先推导出此体系的哈密顿量,进一步通过平均场理论分离出单个格点的哈密顿量,最后用数值对角化方法得到系统的基态,并分析相图以及平均粒子数三维图得出结论:莫特绝缘相与超流相共存于非均匀的光晶格中。第四章研究了在二维正方光晶格中存在非均匀的排斥相互作用的超冷原子系统的量子相变,运用与第三章类似的方法,采用平均场近似方法分离出单个格点的哈密顿量并用数值对角化方法得到系统的基态,最后分析相图以及平均粒子数三维图得出结论:莫特绝缘相与超流相共存于光晶格中。第五章对全文进行了总结和展望。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚 Feshbach共振光晶格超冷原子量子相变

偶极凝聚体在叠加了谐振势的光晶格中相干性的研究

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偶极凝聚体在叠加了谐振势的光晶格中相干性的研究

作者：王龙西北师范大学

学位级别：硕士

近些年来,光晶格已经成为研究量子气体基础物理特性的理想载体并且可以用来操控冷原子的动力学特性。大量的可控制的相干与退相干的相互转换可以通过将冷原子凝聚体囚禁在光晶格中实现。由于相互作用和无序可以得到精确的控制,所以它被... 详细信息

近些年来,光晶格已经成为研究量子气体基础物理特性的理想载体并且可以用来操控冷原子的动力学特性。大量的可控制的相干与退相干的相互转换可以通过将冷原子凝聚体囚禁在光晶格中实现。由于相互作用和无序可以得到精确的控制,所以它被经常用来调节和操控冷原子Bose气体。当偶极Bose气体在一个深的光晶格中时,最明显的影响就是产生Bloch振荡。Bloch振荡除了它的基本意义外,它还可以被用来完成对原子的高精度的控制。然而,由于原子的相互作用能够对Bloch振荡引起退相干,从而使得Bloch振荡得不到很好的观察。最近,原子间的偶极-偶极相互作用对能够实现Bloch振荡的相干提供了可能,这已经在实验上得到了证实。所以如何找到合适的原子的接触相互租用与原子间的偶极相互作用来控制Bloch振荡的退相干是非常重要的。另外,当晶格中含有无序时,对Bloch振荡的相干性也会有很重要的影响。因为无序本身能够抑制相干性,但它和原子的相互作用共同作用时又可以促进相干性。所以,我们可以通过找到合适的无序强度与相互作用来控制Bloch振荡的退相干。本论文的具体研究内容和结论如下：首先,简单介绍了论文研究的物理背景及论文相关知识,包括玻色-爱意斯坦凝聚、光晶格、Bloch振荡、无序以及偶极相互作用。其次,讨论了偶极凝聚体在叠加了谐振势的光晶格中相干性。在平均场模型下,处在叠加了谐振势的一个深的光晶格中的偶极凝聚体的相干性可以用变分理论进行研究。研究表明,在叠加了谐振势的深的光晶格中,控制Bloch振荡的退相干是可行的。因为晶格内原子的相互作用与晶格间原子的偶极相互作用不仅可以逐渐减弱Bloch振荡而且可以维持Bloch振荡。特别的是,当晶格内原子的相互作用、晶格间原子的偶极相互作用、谐振势的频率以及波包的初始位置满足临界条件时,Bloch振荡就能够长久的维持下去。因此,我们可以通过调节晶格内原子的相互作用、晶格间原子的偶极相互作用、谐振势的频率以及波包的初始位置来控制Bloch振荡的退相干。另外,当在谐振势内加入无序时,无序对Bloch振荡的相干性也有很重要的影响。因为无序强度的大小能够直接影响Bloch振荡的相干与退相干,所以可以通过调节无序强度来控制Bloch振荡的相干性。最后,简要总结本工作并展望该领域进一步的研究前景。

关键词：偶极凝聚体 Bloch振荡谐振势无序光晶格

深光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象与自旋动力学

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深光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象与自旋...

作者：胡潇文西北师范大学

学位级别：硕士

光晶格为研究局域化现象提供了一个纯净且高度可控的平台,囚禁于光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体会产生十分丰富的局域化现象,如自囚禁,带隙孤子,稳定的环形涡旋,环状孤子以及二维、三维的时空孤子。自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在... 详细信息

光晶格为研究局域化现象提供了一个纯净且高度可控的平台,囚禁于光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体会产生十分丰富的局域化现象,如自囚禁,带隙孤子,稳定的环形涡旋,环状孤子以及二维、三维的时空孤子。自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在光晶格中显著提高了凝聚体中局域波结构的稳定性。由于周期性、非线性以及自旋轨道耦合三者之间的耦合会产生独特的结构,如稳定的三维孤子,涡旋,单极子,有结点的孤子等。本文基于平均场近似和紧束缚模型,利用变分方法和数值模拟,讨论了深光晶格中自旋轨道耦合及调制自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象及自旋动力学。第1章介绍了本文相关背景。首先综述了光晶格的实验实现以及光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体的研究现状。光晶格是操控玻色-爱因斯坦凝聚体有力的工具,由于其高度可控性,为研究玻色-爱因斯坦凝聚体局域化现象和动力学提供了纯净可控的研究平台。紧接着对自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的实验实现进行了介绍。实验上已经实现了各种自旋轨道耦合包括光晶格中的自旋轨道耦合。最后综述了光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的研究现状,自旋轨道耦合与非线性原子间相互作用间的耦合以及光晶格的周期性导致了丰富的局域化现象。第2章研究了深光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象和自旋动力学。利用变分方法,在体系中两赝自旋组份间不存在自旋交换时,解析地得出了各种扩散、孤子、呼吸子和自囚禁等局域化现象之间转变的临界条件,并根据临界条件,得到了系统相图。在两赝自旋组份间存在自旋交换时,发现临界条件不满足的情况下会激发自旋动力学。直接淬火时,自旋交换有阻尼振荡的形式,系统最终会到达一个较高的极化态但是最终的极化态不可控,孤子态、呼吸子态不再维持;线性淬火导致了一个近乎平滑的自旋极化转变,实现了一个自旋极化的可控转变且对大的自旋轨道耦合强度,孤子态、呼吸态仍可维持。在上一章的基础上,第3章中我们主要研究可调自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在深光晶格中局域化现象及自旋动力学。利用高频近似消去Raman耦合时间依赖的调制项,获得了一个不含时的哈密顿量且实现了可调自旋轨道耦合。通过变分法,解析地得到了两赝自旋组份间不存在自旋交换时,可调自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在深光晶格中局域化现象之间转变的临界条件及相图,发现临界原子间相互作用随着调制参数的增大发生振荡且振荡幅度逐渐减弱。在两赝自旋组份间存在自旋交换的情况下,Raman耦合不满足临界条件,系统自旋动力学被激发,孤子态淬火后变为呼吸子态。最后一章对我们的工作进行了总结和展望。本文主要研究了深光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象和自旋动力学,研究结果为光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体丰富的局域态现象的实验观测提供了理论依据。但不同参数对自旋动力学的影响以及可调自旋轨道耦合在其它外部周期势中的作用尚不明确。

关键词：光晶格自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体局域化自旋动力学

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一维光晶格中两任意子关联性质的研究

一维光晶格中两任意子关联性质的研究

作者：王丽敏山西大学

学位级别：硕士

近年来在凝聚态物理的冷原子领域中,一维多体系统的量子关联受到广泛的关注。其中,考虑到光晶格对固体晶格环境形象、逼真的模拟,基于玻色-哈伯德模型,人们构造各种承载玻色子、费米子的一维光晶格模型,通过研究多粒子的量子行走实现了... 详细信息

近年来在凝聚态物理的冷原子领域中,一维多体系统的量子关联受到广泛的关注。其中,考虑到光晶格对固体晶格环境形象、逼真的模拟,基于玻色-哈伯德模型,人们构造各种承载玻色子、费米子的一维光晶格模型,通过研究多粒子的量子行走实现了对量子关联动力学的操控,极大程度上促进了以量子行走为理论基础的量子算法、量子计算的发展。本文从连续时间量子行走理论出发,通过数值求解,首先讨论了基于满足周期性边界条件的一维光晶格中两全同粒子的量子行走,关注了量子统计性质,初始量子态,相互作用强度以及相互作用模式对两粒子量子行走关联效应的影响。其次分析了由线性势导致的纠缠态的布洛赫振荡,间接展示了量子行走的周期性动力学演化行为,以及非线性项对振荡周期的破坏。接着,就无序晶格系统中量子关联的安德森局域现象做了简单阐述。在上述工作的基础上,本文主要借助Anyon-Boson和Anyon-Fermion两种映射理论分别研究了分数统计因子对两相互作用的任意子(Kundu任意子)和硬核任意子(Girardeau任意子)量子行走二阶关联性质的影响。结果表明,Kundu任意子坐标空间的两体关联函数在玻色、费米两极限下关于粒子的初始位置对称。然而,在动量空间,这种对称现象仅存在于玻色极限。一旦统计参数偏离玻色、费米两极限,有趣的非对称现象就会出现在关联矩阵中。这种非对称现象正是来源于任意子服从的分数统计。另外,Girardeau定义下的任意子(硬核任意子)在坐标空间的两体关联矩阵不受统计参数的影响,且随着近邻相互作用的增大,由聚束行为过渡到绑定行为。在强相互作用(近邻)下,随着统计参数的变化,动量空间的两体关联图像清晰地呈现了由两条条纹合并为单一条纹的缓慢变化过程,实现了费米系统到硬核玻色系统的演化。最终,两种映射理论都没有完美实现玻色系统和费米系统的过渡,任意一种映射都只能退回到一种极限,所以不能简单地认为任意子就是一种介于玻色子、费米子之间的粒子。

关键词：光晶格量子行走量子关联映射理论分数统计参数

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一维光晶格中冷原子的输运性质研究

一维光晶格中冷原子的输运性质研究

作者：薛程大连理工大学

学位级别：硕士

超冷原子是利用激光冷却等手段将原子制备到极低温度(nk级别)环境下的稀疏原子气体。光晶格是利用激光干涉形成的周期性网状势阱,可作为装载冷原子的实验平台,使冷原子在晶格内有序排列。通过调节激光强度、偏振度、频率等可以对光晶格... 详细信息

超冷原子是利用激光冷却等手段将原子制备到极低温度(nk级别)环境下的稀疏原子气体。光晶格是利用激光干涉形成的周期性网状势阱,可作为装载冷原子的实验平台,使冷原子在晶格内有序排列。通过调节激光强度、偏振度、频率等可以对光晶格的晶格数目、势阱深度等进行精确控制。被装载于光晶格中的超冷原子会呈现出许多奇妙的现象,如形成玻色爱因斯坦凝聚态、发生量子隧穿和相变等现象。对装载于晶格中的冷原子,其输运自然受限于晶格系统环境的影响。对于开放的多体系统而言,其不可避免的与周遭环境之间发生相互作用,存在耗散,这种耗散被认为会对晶格系统造成负面影响。然而,近些年的一些实验表明,这种耗散效应可以作为一种手段用于调控系统。本文通过调节距离选择耗散、外部驱动和原子间相互作用等因素来研究光晶格中冷原子的输运性质。具体工作内容如下:首先,通过引入马尔科夫主方程描述一维受驱动光晶格中冷原子的动力学模型,利用平均场近似理论简化系统复杂度,并在此基础上推导出各物理量所满足的微分方程组,从而研究距离选择型耗散、外部驱动以及原子间相互作用对光晶格中冷原子的输运影响。通过解析计算与数值模拟,本文有以下发现:(1)对于处于不同晶格系统(晶格数目为奇数和偶数)内的冷原子,在相同环境的影响下,在输运过程中,仅奇数晶格系统中的冷原子会发生自囚禁现象,通过改变距离选择耗散强度,可破坏自囚禁,增强输运。(2)在冷原子的输运过程中,通过增大临界距离或者减小耗散强度,可缩短冷原子的输运周期,当临界距离一定时,增大耗散强度,可使冷原子输运的局域化程度增大。(3)对于冷原子的可控输运,在冷原子输运的某个时刻,通过增大原子间相互作用,会抑制冷原子的隧穿效应,增强量子自囚禁效应,达到将冷原子输运到指定晶格的目的。(4)对于双势阱中的冷原子的输运,通过具体的解析计算,阐述了外部驱动对冷原子输运的影响。综上,光晶格中冷原子的输运性质与光晶格数目、原子间相互作用、距离选择耗散以及外部驱动等因素密切相关,通过控制环境耗散强度,可以驱动系统达到所期许的量子态。

关键词：开放量子系统冷原子系统光晶格可控耗散

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冷原子光晶格拓扑半金属的研究

冷原子光晶格拓扑半金属的研究

作者：李灵河北科技大学

学位级别：硕士

本论文详细研究了几类二维系统拓扑半金属的性质及其拓扑不变量的表征,此外我们还研究了一些由拓扑半金属到拓扑绝缘体的相变机制。全文分四章,其中第一章绪论。绪论中我们简单介绍了拓扑绝缘体等拓扑量子态的机制,发展现状以及拓扑半... 详细信息

本论文详细研究了几类二维系统拓扑半金属的性质及其拓扑不变量的表征,此外我们还研究了一些由拓扑半金属到拓扑绝缘体的相变机制。全文分四章,其中第一章绪论。绪论中我们简单介绍了拓扑绝缘体等拓扑量子态的机制,发展现状以及拓扑半金属的定义及简单性质。此外第一章我们还简单介绍了冷原子的简单知识以及在冷原子中研究拓扑绝缘体的现状进行了简单介绍。第二章中讨论了Kagome光格子中,在周期驱动场和onsite能调节下,系统的拓扑性质的变化。具体的我们推导了二维Kagome光晶格d波拓扑半金属的有效哈密顿量模型,然后计算了表征其拓扑性质的拓扑不变量即缠绕数(winding数)。此外我们还研究了如何利用冷原子中的周期驱动光格子的机制使得其产生由拓扑半金属到拓扑绝缘体的相变。第三章讨论了六角光晶格在周期驱动场和Onsite能作用下,系统拓扑性质的变化。同样的推导了二维六角光晶格的d波拓扑半金属有效哈密顿量,给出了参数变化下的相图和能带结构,应用冷原子中的周期驱动光晶格的机制使得其产生由拓扑半金属到拓扑绝缘体的相变。第四章中提出了一个实现f波拓扑半金属的模型,并分析了二维系统中,p波、d波和f波三种拓扑半金属的拓扑特征。

关键词：拓扑半金属拓扑绝缘体有效哈密顿缠绕数光晶格

应用于中性原子光钟的光晶格理论研究和金刚石激光器理论探究

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应用于中性原子光钟的光晶格理论研究和金刚石激光器理论探究

作者：蔡寅华东师范大学

学位级别：硕士

时间和频率测量领域的进步与原子物理学的发展紧密相连。过去的二十年中,激光冷却和囚禁原子以及飞秒光频率梳技术的发展使得光谱测量和频率测量达到了极高的准确度。通过利用不受外界干扰的冷原子,铯原子喷泉钟已经成为S1秒的定义,并... 详细信息

时间和频率测量领域的进步与原子物理学的发展紧密相连。过去的二十年中,激光冷却和囚禁原子以及飞秒光频率梳技术的发展使得光谱测量和频率测量达到了极高的准确度。通过利用不受外界干扰的冷原子,铯原子喷泉钟已经成为S1秒的定义,并且原子钟现在已经成为全球定位系统的重要组成部分。但是原子喷泉钟已经几乎达到了其自身精度的极限,很难再继续提高其精度。根据阿伦方差,目前最有希望达到最高不确定度的一类原子钟是中性原子光晶格钟。因为应用于光学原子钟的光晶格可以使得囚禁原子满足Lamb-Dicke条件,从而消除钟态跃迁光谱的一阶多普勒频移、反冲频移,因此显著提高光钟的不确定度,这对于提高时间频率标准具有重要意义。本文首先基于二能级原子与激光相互作用模型,利用光学布洛赫方程,阐述了光晶格囚禁原子的原理,并且计算了实验中激光功率与囚禁原子温度的关系。若要光晶格囚禁大量的原子需要提高光晶格的激光光强,或者对原子进行深度冷却。其次本文利用多能级原子与激光相互作用模型,采用含时微扰方法分析了光晶格光场对于囚禁原子产生的光频移效应,并精确计算出一种可消除一阶光频移的光晶格最佳波长。并将其最佳波长的计算模型应用于可用作于光钟的原子,计算出镁、钙、锶、镱原子的钟态跃迁的最佳波长,其结果对于光晶格钟实验中的光晶格的波长选择具有重要的指导作用。同时,对于光晶格产生的超极化率、碰撞频移,以及光晶格的几何构形等因素进行了分析,设计出一种可能提高光晶格钟不确定度的光晶格几何构型。最后,通过利用NV色心金刚石的光学特性,本文研究设计了基于NV色心金刚石的可调谐固体激光器。该激光器体积小、无需温控,且其激光波长范围可覆盖大量应用于光钟的光晶格的最佳波长,因此可以作为产生光晶格的激光器并对于未来中性原子光晶格钟小型化有重要意义。本文完成了金刚石固体激光器理论模型的建立以及激光器的设计,为今后金刚石固体激光器应用于光钟提供了理论依据。

关键词：光晶格光钟光频移最佳波长固体激光器 NV色心金刚石