特异材料结构附近的原子的色散力研究

We plan to study the dispersion force acted on atom near metamaterials, and aim to mechanically control the atom through metamaterials. Dispersion force is a general name of the Casimir force and Van der Waals force,which are pure quantum phenomena and originate from the vacuum fluctuation. Dispersion force becomes prominent as the size being in the order of micron. Such force can break the stability of device on the one hand, and can be used to design ando ptimize new types of atomic-optical device on the other hand. It is known that such force depends on the shape and the macroscope electromagnetic properties of the materials and the state of atom. Rencently, a kind of new man-made materials called metamaterials attracts intensive attention both on theory and experiment due to its unique electromagnetic property. Therefore, control the dispersion force by metamaterials is a promising project. . This project contain following contents.. The first, we consider the atom in ground state and place it near metamaterials.The key is to design the shape ,surface corrugation and index of metamaterials to get a three-dimension dispersion force.. The second, we focus on the atom in excited state initially, and analyze the evolutioon of dispersion force acted on atom. The key is to design the metamaterials to get a large and longtime dispersion force. Such force should have the power to confine the atom.. Finally, we focus the atom with intial velocity. Combination of above accumulation acknowlege, we aim to realize the atom trap and enhanced quantum reflection by design of metamaterials..The content of this project not only are the theoretic frontier of quantum optics, atomic optics and new materials, but also have tie with experiment and application.

本课题计划通过研究特异材对中性原子的色散力的影响,来控制原子的力学行为。色散力是卡西米尔力和范德瓦尔斯力的统称，是来源于真空涨落的纯粹量子力学效应，其性质与材料的宏观电磁性质、形状以及原子的激发状态有关。而特异材料作为目前热门的人工微结构材料具有自然界不存在的奇异电磁性质，实验已经能在各个频段的实现。这样我们就可以通过研究与特异材料有关的色散力来设计制备基于特异材料的新型量子器件。该项目内容包括设计特异材料的形状和表面结构来控制基态原子的色散力，随后重点研究初始处于激发态原子的色散力。通过分析和优化使得特定的特异材料附近的原子所受的色散力量值很大且作用时间长，同时控制特异材料的表面结构能在远离界面几个波长的距离能形成势阱和势垒，最后研究运动原子的行为来利用色散力实现原子捕获和增强量子反射。本项目的内容即是量子光学、原子光学和新型材料的理论前沿，有和实验及应用紧密相关。

本项目着重于研究中性材料和中性原子之间的卡西米尔潘德力，这是一种来源于真空涨落的量子效应。由于真空涨落可以受周围环境的调控，因此我们选择特异材料来对电磁模式进行调控，进而调控卡西米尔潘德力。随着微加工技术的发展，人们可以在微米甚至纳米尺度进行材料加工和制备，这种卡西米尔力在这种尺度下就变得不可忽略，会产生一些可以观测的现象。对此我们则希望通过对该种力的研究探索其消极和积极作用。主要成果包括，我们发现在金属镜附近的原子的卡西米尔潘德力的大小和方向都与原子偶极取向有关，考虑到原子的随机取向，总的卡西米尔潘德力会非常弱；然而原子在左手性材料和零折射率材料组成的结构附近，卡西米尔潘德力的方向与原子偶极取向无关，从而即使原子随机取向，这种力依然存在。进一步我们计算了这种力对实际原子的力学影响，发现它可以抵抗15微K的热涨落。除了考虑外界环境对卡西米尔潘德力的影响，我们也从原子结构出发，研究了多能级原子的卡西米尔潘德力，尤其是原子跃迁的量子干涉对力的影响。结果表明特异材料形成的各项异性环境能够有效的控制量子干涉对力的大小和持续时间的影响，能使得在自由真空中没有量子干涉的Zeeman三能级原子在特异材料环境中即产生很强的卡西米尔潘德力，又能使力持续很长时间（相对于自由空间中的原子寿命）。所以我们从特异材料对电磁环境的操控和原子能级结构这两方面对这一课题做了深入详细的研究，得到了有益的结果，并具有深远的应用价值。此外我们还在特异材料相关的量子光学问题以及新型全光器件方面做了研究，取得了丰硕的成果。