基于碰撞感应激发产生的量子相干效应研究

近年来，量子相干在诸如高灵敏高精度激光光谱和新型量子频标、分子运动和物理化学反应的操控、原子分子激发态结构信息、量子态绝热布居转移、量子计算和量子信息处理等方面具有广泛的应用而受到人们的关注。基于量子干涉效应而产生的量子相干可分为频域和时域内的两种：频域内的量子相干来源于两个或多个同时的不同跃迁路径间的干涉，时域内的量子相干来源于两个或多个具有一定延时的同一跃迁路径间的干涉。本报告对以往较少涉及的原子及原子——分子混合体系中基于非相干碰撞而产生的频域和时域内多能级系统量子相干效应进行研究，并着重探索量子相干产生的条件及其对外界条件的依赖关系等。

光子带隙材料及亚波长微结构材料中等离子体共振导致的量子相干效应

我们对两类光学材料-光子晶体及左手材料中的量子相干效应进行了理论研究。光子带隙材料通常是指人工制作的具有光子通带和禁带的光学材料，它可以用来控制光场的传输及某些微观过程。光子晶体是典型的光子带隙材料，光子晶体的周期性结构导致其中的原子的量子光学性质与自由空间中明显不同，例如出现光局域化与原子自发辐射的抑制、光子-原子束缚态、二能级原子布居数囚禁等现象。最近的研究还表明心，特殊的态密度分布会导致感应透明现象，使得原子对与其共振的探测光场的吸收趋于零。这与电磁感应透明（EIT）类似，但不需要外加耦合场来建立相干。我们系统地研究了光子晶体特殊态密度产生的量子相干效应，包括三能级系统的感应透明、无反转增益、光速减慢等，及四能级系统的自发辐射和光开关效应，发现强的量子相干效应导致原子辐射与吸收性质产生多方面的改变。

交叉共轭分子的电子转移性质与量子相干效应研究

在2010年度国家自然科学基金项目评审中，我校化学化工学院樊阳博士申报的“交叉共轭分子的电子转移性质与量子相干效应研究”获批为青年科学基金项目资助（21002082），资助经费19万元．青年科学基金是国家自然科学基金人才项目系列的重要类型，支持青年科学技术人员在国家自然科学基金资助范围内自主选题，开展基础研究工作，培养青年科学技术人员独立主持科研项目、进行创新研究的能力，激励青年科学技术人员的创新思维，培育基础研究后继人才．

四能级原子系统中量子相干增强的Kerr非线性效应的研究

应用密度矩阵方程计算了四能级原子系统中三阶非线性极化率随信号光和探针光频率失谐的变化关系。结果表明,由于量子干涉对信号光强度的敏感性,使四能级原子介质的交叉Kerr非线性作用大大增强,与三能级系统相比,四能级原子介质的Kerr非线性系数可增强两个数量级。

光合作用中量子相干效应及其量子模拟

以鸟类导航和光合作用为代表的生物现象展现了丰富的量子相干效应.鸟类利用微弱的地磁场和依赖于自旋的化学反应识别方向.光合作用作为地球上最重要的能量来源之一,一直以来都是科学研究的热点.目前,已经在光合作用复合物中发现了量子相干效应,并且证明了光合作用复合物中能量传输的量子效率接近100%.这些重要的发现促使很多不同学科领域的专家去探索光合作用系统中能量传输背后的物理机制以及量子相干效应在光合系统中起到的作用.除此之外,一些研究尝试利用量子相干效应来提高激子能量传输的效率,并已取得了一定的进展.对于光合作用系统这样的量子开放系统,目前已有多种理论方法被提出,并用于分析其量子动力学过程.这些理论方法根据其建立的理论假设,具有各自不同的适用情形.近年来,随着研究深入,多个课题组提出了一些基于不同物理系统的量子模拟方法,并以此来分析光合作用系统中的现象.这些量子模拟方法与传统的理论计算方法相比,具有较高的计算效率以及较低的计算复杂度.本文对光合作用中量子相干效应的研究进展以及相关的理论研究方法和量子模拟方法进行综合性评述.

四能级原子量子相干过程中瞬态光学特性

利用半经典理论研究了N-型四能级相干原子的瞬态光学特性。理论分析表明:当信号光开启的瞬间,介质对探针光的非线性吸收从接近于零的状态迅速增加,经过驰豫振荡过程,趋于稳定状态。本文的研究结果将为吸收型光子开关的设计提供理论依据和参考。

V型系统中自发辐射相干效应对无反转粒子数激光产生条件的影响

本文从理论上讨论了自发辐射相干效应 (SpontaneouslyGeneratedCoherence ,简记为SGC)对V型原子中无反转激光 (LasingWithoutInversion ,简记为LWI)产生条件的影响。在V型原子中 ,当其上两个能级为简并或近简并能级时 (如Zeeman分裂能级 ) ,会出现SGC效应。研究表明 ,在SGC效应起作用的情况下 ,无需外加非相干泵浦场或者两上能级间的粒子数的衰减 ,也能实现LWI。然而 ,在产生LWI的区域中 ,SGC效应并非永远对产生LWI作正的贡献 ,在某些区域SGC项甚至会削弱LWI的产生。本文给出了产生LWI的条件 ,并讨论了一类新型的量子相干效应。

正常金属/超导/正常金属双垒隧道结中的量子相干输运

考虑到量子相干效应和界面散射效应 ,利用 L ambert理论模型 ,计算正常金属 /绝缘层 /超导 /绝缘层 /正常金属双垒隧道结中的准粒子输运系数和隧道谱。研究表明 :( 1)所有的准粒子输运系数和电导谱在超导能隙之上都随能量作周期性振荡 ,其振荡周期依赖于超导层的厚度 ;( 2 )在超导能隙之上 Andreev反射系数随能量呈现周期性消失现象 ;( 3)在绝缘层势垒强度取很大的隧道极限下 ,超导层中会形成一系列的准粒子束缚态 ,其位置由量子化条件决定 ;( 4)界面散射效应不仅能压低各子能隙电导峰 ,还能使子能隙电导峰劈裂为两个峰。

苯基分子器件量子相干输运第一性原理研究

分子器件在纳米尺度下,电子的相干性将对体系的电导产生重大影响.本文基于第一性原理计算研究了苯分子连接于一维金属电极下的电荷输运性质.发现一维金电极连接下,不同的连接方式(para与meta)体系下的电导将会有显著差别,而一维铂电极连接下,体系的电导差别不大.我们通过计算电极的能带,发现金电极与铂电极在费米面处的散射态数目有差别.当量子相干效应导致散射态局域化发生改变时,由于铂电极的通道数较多,电子依然可以通过扩展的通道输运,因此不同连接方式下的电导变化不明显.

泵浦-探测技术中受激量子拍的理论研究

基于V型三级级原子由于真空与原子耦合引起的量子相干效应 ,研究了泵浦 探测技术中透射受激量子拍特征 理论计算表明 :这种受激量子拍与荧光量子拍相比具有高的信噪比

基于里德堡原子的微波电场测量技术

微波电场测量是电子信息系统的核心技术之一,在雷达、通信、导航、电磁频谱监测等领域应用极其广泛.然而,随着应用需求的不断提高,传统的微波电场测量技术在接收灵敏度、精确度、工作带宽、天线尺寸等方面面临极大挑战.里德堡原子具有较大的电偶极矩,对外电场的响应极为敏感,尤其是里德堡能级间共振频率的微波电场.基于里德堡原子与微波电场的量子相干效应(Autler-Townes分裂效应和AC-Stark效应),可实现微波电场的高灵敏度测量,是一种有别于传统的新型微波电场测量技术.本文主要综述了基于里德堡原子的微波电场测量技术的基本原理、研究进展、技术优势,并对其未来发展方向和应用前景进行了展望.

基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器

Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01-1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.

半导体量子结构中量子力学新效应

量子力学波函数的相位、相干性与退相干 ,正成为当前物理学研究的一个热点 .半导体材料及其低维量子结构 ,以其制备工艺的精良和物理研究的透彻而成为最佳研究对象 .对于半导体量子结构中载流子相位和关联的实验研究 ,主要遵循两条路线 :(1)使系统特征尺度与相干长度可比 ,研究介观系统与小量子系统输运过程中量子相干效应 ;(2 )发展超短脉宽激光器与超快探测技术 ,研究与相干时间可比的时间尺度内的动力学 .文章结合笔者的研究工作 ,着重介绍半导体及其量子结构中超快光学过程研究 ,包括电声子散射的量子动力学 ,直流与THz交流电场驱动的半导体超晶格激子态、吸收光谱与四波混频谱 ,动力学Fano共振和多体相互作用中超越平均场近似的重要性 .

正常金属/d波超导/正常金属双隧道结中的量子相干输运

考虑到量子相干效应和界面散射效应,结合电子和空穴流对电导的贡献,利用推广的Blonder-Tinklam-Klapwijk(BTK)方法,研究正常金属/d波超导/正常金属双隧道结中的准粒子输运系数和隧道谱.结果表明系统中的所有准粒子输运系数和电导谱都会随能量做周期性振荡,其中Andreev反射系数在超导能隙之上随能量会出现周期性消失现象;在绝缘层势垒强度取很大的隧道极限下,超导层中会形成一系列准粒子束缚态.

电磁诱导透明和导致极慢光速的机制

根据有关文献 ,描述了电磁诱导透明和导致光速极慢的物理机制 。

介观系统中的几何位相和持续流

介观系统中的量子相干效应是一个在理论和应用方面具有重大意义的研究课题。本文系统全面地介绍包括Ａｈａｒｏｎｏｖ－Ｂｏｈｍ效应和Ａｈａｒｏｎｏｖ－Ｃａｓｈｅｒ效应在内的几何位相在介观系统中引发的诸如持续流等一系列新奇现象及其成因，详细讨论这些几何位相间的相互关系。

里德伯原子的射频脉冲响应特性

里德伯原子是一种高主量子数原子,利用其量子相干效应可以实现对空间中射频电场的测量.本文对基于里德伯原子的射频接收系统在不同脉宽和强度下的射频脉冲响应能力进行了研究.实验采用波长为852 nm和510 nm的激光实现Cs原子的激发,并利用射频信号源发射不同参数的脉冲信号照射里德伯原子,从原子气室中透射的探测光信号输入至光电探测器,经过光电转换得到的电信号由示波器进行记录.此外,利用不同延迟时间的脉冲信号进行模拟测距,初步证明基于里德伯原子的射频接收系统具备脉冲测距功能.

人类首次让光停止传播60秒

光速是目前宇宙真空环境中的“极限速度”,为了使宇宙速度最快的光“停止”下来,德国科学家使用了一种被称为电磁感应透明效应(EIT)技术,通过量子相干效应使得光原子共振吸收频率上变得透明,在EIT形成的频谱上,只有一定频率范围内存在透明和不吸收的通道,德国科学家将受控光速指向含有镨元素的硅酸钇晶体,通过控制激光束调节晶体的透明态和不透明态,使入射光束无法折射,最终在原子自旋的介入下控制光子携带的信息。该实验对量子通讯有着很大的意义。