腔光机械系统中的 Casimir 效应及其若干量子特性研究

The project studies theoretically the dynamics and quantum property of the micro/nano-oscillator in an optomechanical system with the Casimir effect. The additional Casimir interaction in an optomechanical system will appear by arranging properly the distance between the movable parts of the optomechanical system or the movable parts of the optomechanical system and the cavity mirror. The proposed Casimir-cavity optomechanical system doesn't need to introduce other coupling elements. The project aims to analyze the change of the original optical bistable phenomenon induced by the Casimir effect based on the Langevin equation of the whole system. Further, the frequency shift of the oscillator induced by the Casimir effect in the optomechanical system will be studied in detail, which can be used for constructing the dynamical measurement model of the Casimir force with high precision. The key point of the project is to study the cooling of motional mode of the mesoscopic oscillator and the quantum entanglement properties between the mechanical modes or the mechanical modes and cavity field modes as the quantum regime is approached. Especially, the influences of the Casimir effect on the ground state of cooling and quantum entanglement of the optomechanical system will be analyzed mainly, and the optimal parameters of the optomechanical system presenting various quantum properties will be provided. The project is the innovational problem of the quantum optics and pays attention to the experimental feasibility, therefore has an important research value.

本项目拟从理论上研究包含Casimir效应时光机械系统动力学行为以及微纳米机械振子的量子特性。通过安排光机械系统中可移动部件之间或其与腔镜面之间的距离，使得原有光机械系统在不引入新的耦合元素情况下出现附加Casimir相互作用，从而建立Casimir腔光机械模型。借助整个系统的朗之万方程分析该光机械系统中由Casimir效应导致的原有光学双稳现象的改变。通过研究光机械系统中由 Casimir效应诱导的机械振子的频率移动构建Casimir力高精度动态测量模型。进一步的，重点研究介观机械振子运动模式的冷却以及在靠近量子区域时机械运动模式之间或者其与腔内外光场之间的量子纠缠特性，分析Casimir 效应对光机械系统中基态冷却行为和量子纠缠的影响，给出系统呈现各种量子特性的最优化参数。本项目研究内容属于量子光学理论前沿问题，并且考虑到实验的可行性，因而具有重要的研究价值。

本项目拟从理论上研究包含Casimir效应时光机械系统动力学行为以及微纳米机械振子的量子特性。通过安排光机械系统中可移动部件之间或其与腔镜面之间的距离，使得原有光机械系统在不引入新的耦合元素情况下出现附加Casimir相互作用，从而建立Casimir腔光机械模型。进一步的，重点研究介观机械振子运动模式的冷却以及在靠近量子区域时机械运动模式之间或者其与腔内外光场之间的量子纠缠特性，分析Casimir 效应对光机械系统中基态冷却行为和量子纠缠的影响，给出系统呈现各种量子特性的最优化参数。具体研究了（1）悬浮纳米球的杂化光机械系统动力学行为以及系统中机械运动的量子基态冷却，得出了系统中Casimir相互作用对悬浮纳米球机械冷却的影响。（2）单个场驱动的包含两个悬浮纳米球的法珀里-珀罗腔光机械系统。我们发现腔的有效失谐，腔的衰减率、腔的泵浦功率以及Casimir力会重要的改变产生的光力纠缠。尤其是利用优化的参数，可以实现比较大的纠缠，如EN =5.76。（3）嵌入两能级原子系综的杂化光机械系统模型及机械运动的冷却行为以及光与机械模式之间的光力纠缠特性，其中两能级原子直接通过真空力与邻近可移动腔镜子耦合。 得出了系统的量子特性如机械运动基态冷却以及光力学纠缠可以通过增加原子系综与机械运动之间的直接耦合强度得到改善和提升。（4）与高阶激发原子系综耦合的悬浮纳米球光机械系统的光学响应特性。得出了系统中可以实现光力学诱导透明和放大现象。(5) 包含简并的光学参量放大晶体和高阶激发原子系综的非线性光机械系统中输出场的光学响应和可调的快光慢光现象。（6） 利用高品质腔操控的两能级原子系综中系统的光学响应特性。得出了即使是腔最初处于没有外部驱动的真空态时，原子系综的探测光响应也可以被剧烈的改变。 （7） 两个有限厚度拓扑绝缘体之间的Casimir 力可以由吸引变为排斥，及其对两体之间距离的依赖 ；进一步，我们也考虑用多层的拓扑绝缘体层来提升两体间Casimir 力，这些结果为包含真空作用的光机械的构建提供基础。