含特异材料层状结构中原子辐射性质的相干控制研究

近来，特异材料由于其特异的光学性质引起了人们广泛的关注，含特异材料的一维层状结构中能够实现类似于三维光子晶体中的完全带隙。本申请项目以含特异材料一维层状结构中原子（二能级和多能级原子）自发辐射和受激辐射性质为研究对象，结合当前此领域的理论及实验研究现状，研究利用含特异材料一维层状结构中真空辐射场的各向异性和原子与外加相干场作用的共同影响，原子自发辐射过程中展现最强的量子干涉效应的方案，并且分析这一量子干涉效应和光子带隙与原子辐射光场的非经典特性之间的联系。提出实验中易于实现的相干控制含特异材料一维层状结构中原子辐射光场和改善原子光谱性质的方案，并且探讨这些方法在光学微器件中的可能应用，如低噪声，高相干性的激光发生器和光学多道开关中。本项目的完成将深化对含特异材料的一维层状结构中原子辐射性质控制的研究，并促进这些控制方案在量子信息科学、非经典光场的制备以及激光光谱学的一些实际应用的发展。

自发辐射是量子信息的存储和传播、高频激光器及高精度测量等现代量子光学新发现的主要限制因素之一。量子光学的一个重要课题就是探讨控制和改变自发辐射的方法。随着原子捕获技术的发展，复杂环境（光子晶体和微腔）中原子的辐射性质受到了广泛的关注。含特异材料的一维层状结构中能够实现类似于三维光子晶体中的完全带隙。因此讨论位于含特异材料的一维层状结构中的原子的辐射性质是一个具有理论和实际应用价值的课题。我们研究了含特异材料层状结构中V型三能级原子的自发辐射性质，发现除了辐射模和正常导波模外,表面导波模对原子的自发辐射有显著的贡献，自发辐射速率会因为负的古斯—汉欣位移提高2-3个量级，特别是环绕原子周围真空辐射场的各向不对称性会导致从两个高能级到低能级跃迁通道之间出现量子干涉，并且量子干涉可以通过增强的表面导波模来调节；我们还探讨了具有三维完全带隙的含特异材料层状结构中，受到强场驱动的单个二能级原子的非经典特性和腔场谱的性质，发现特异材料层状结构中光子带隙和外加驱动场的共同作用使腔场谱线出现压缩和变窄，单原子激光腔场起伏呈现低于量子散离噪声极限的现象。此外，还依据近期固体光学材料研究的进展，将我们的研究拓展到石墨烯阵列中表面等离子体光束的负折射效应, 发现表面等离子体的折射角与石墨烯阵列的周期排列有关，并且通过改变入射的布洛赫动量, 表面等离子体的折射角可为零, 也可同时为正和负。