腔光力学系统中的原子的色散力研究

In this project we will theoretically investigate the atom-surface dispersion force induced by the quantum vacuum fluctuation in the cavity optomechanical system, and study the significance of such dispersion force and its related dynamical effects for the adjustment and control of the optomechanical system. We will discuss the characteristics of the dispersion force of the atom in the cavity based on several typical optomechanical systems, and consider the influence of the interaction energy of such dispersion force on the system Hamiltonian. On that basis, we can discuss the ground-state cooling through the investigation of certain parameters for the mechanical oscillator such as effective mechanical damping and phonon number, and we can explore the possibility of controlling the ground-state cooling of the mechanical oscillator via atom dispersion force. Then the optomechanical entanglement for the system under the ground state, including the bipartite entanglement as well as the three-body entanglement in the system containing the cavity mode, mechanical oscillation mode and the quantum state of the atom in the cavity, will be studied, and we expect to achieve the robust entangled state by means of the controlling through the atom dispersion force. We will also investigate the emission spectrum of the atom and the transition rate of the atom excitation under the influence of the dynamical atom dispersion force, and based on the theoretical results we can design the practical scheme which is suitable for the experimental observation. The content of this project is not only the hot theoretical topics of the current researching frontiers, but also closely related to the corresponding experiments and practical applications, therefore it has both theoretical and practical significance.

本项目拟从理论上对腔光力学系统内原子与宏观材料表面间由量子真空涨落诱发的色散力的影响进行考察，研究这种色散力以及相关动态效应对光力学系统的调控作用。我们拟从几类典型的腔光力学系统出发，讨论其腔内原子色散力的特点，继而在系统哈密顿量中考虑原子色散力相互作用能的影响。在此基础上我们将通过机械振子等效机械阻尼和声子激发数等参数讨论基态冷却问题，来开发原子色散力作用使机械振子基态冷却的可能性。然后研究基态下系统的光力学纠缠，包括腔场模式、机械振动模式以及腔内原子的量子态之间的两体纠缠以及三体纠缠问题，我们希望得到经原子色散力调控之后的稳定的纠缠态。在含有原子的腔光力学系统中，我们也将考察动态原子色散力作用下的原子发射谱特性以及原子激发跃迁率，进而基于理论结果开发适用于观测现象的实际方案。本项目的研究内容既是当前相关前沿领域的理论前沿，又与相关实验及应用紧密联系，具有较强的理论与实际意义。

本项目主要研究了宏观材料腔结构和多层结构间以及原子在这些结构附近或内部由量子真空涨落诱发的色散力特性，对多层结构拓扑绝缘体、手征超材料、Chern绝缘体、双曲超材料以及饱和铁氧体等特殊光学材料及其构成腔系统进行了系统内原子自发辐射效应的影响、光束位移效应、极化偏转效应等研究。在对特殊宏观材料的腔及多层结构的色散力研究中，研究了各向异性饱和铁氧体材料三明治结构Casimir色散力及其扭矩、拓扑绝缘体多层结构腔系统中的Casimir排斥色散力增强、双曲电磁超材料间的Casimir排斥色散力以及多平衡点等；在特殊材料的腔及多层结构中原子自发辐射和量子干涉效应问题中，研究了拓扑绝缘体有限厚度板以及多层结构及其构成腔系统对调控原子自发辐射和量子干涉效应的影响、Chern绝缘体和手征超材料等材料界面附近原子自发辐射效应；还研究了特殊材料界面的光学特性，包括Chern绝缘体和手征超材料等材料界面的光学反射特性、拓扑绝缘体和手征超材料界面光束位移效应的调控。此外，还进行了与某些腔光力学系统的实际实验或应用有关的激光光源特性研究，包括微片激光光源和混沌半导体激光等，以及其他的激光光源类相关研究，包括光子模数转换、自由空间光学系统等。对项目计划中的主要目标内容进行了研究实施并在执行过程中根据具体研究情况和课题领域发展情况进行了相应的充实及改进，并在项目成果中揭示了一些与项目内容有关的新发现。在本项目的深入研究工作下，对一些涉及具有特殊性质材料的微结构系统中量子真空效应等量子光学特性有了更深入的了解，这些成果对于日益发展的特殊材料及其光腔和微纳机械系统中涉及原子以及宏观和介观物体的量子效应的实际应用具有积极指导作用。在此项目资助下项目组成员参与了相关领域学术会议和学术交流，项目中各项研究成果已经在Optics Express、Journal of the Optical Society of America B、Physics Letters A等SCI和EI刊物上发表。