光子晶体中量子系统自发辐射及相关光学特性的研究

The studies about the spontaneous emission of quantum system have emerged as an important new frontier in many discipline areas (including physics, materials, information), partly because of its extensive and potential applications in high precision measurement, lasing without inversion, transparent high-index materials, quantum optoelectronic devices, quantum information and computing, and so on. Combining quantum optics and solid materials science, this project will explore the interaction of quantum system (such as atomic, quantum dots, diamond nitrogen-vacancy center, etc.) in photonic crystals with external light field and magnetic field, and discuss the influence of system parameters on spontaneous emission of quantum system. Then, we will study quantum coherence effects and related optical properties, including atom and electron localization, atom lithography, high-precision coherent measurement, optical nonlinearity enhancement, optical bistablity/multistability, etc.. At the same time, the application of the coupled quantum system in the synthesis of new nano optical devices will be discussed. Our investigations would not only promote the intersection and merging of various disciplines like quantum optics, information science and the solid materials, but also provide the theoretical basis and reference for the research and development of new nano optical devices.

量子系统自发辐射的研究在高精度测量、无反转激光、高折射率材料透明、量子光电子器件、量子信息与计算等领域具有潜在的应用价值，已经成为物理、材料、信息等相关学科的交叉前沿问题。本项目将结合量子光学与固体材料学，研究置于光子晶体中的原子、量子点、金刚石氮空位中心等量子系统与外部光场、磁场的相互作用，数值模拟系统参数对量子系统自发辐射的影响；进而研究系统中量子相干效应及相关光学特性，包括原子电子等微粒的局域化、原子光刻、高精度相干测量、光学非线性的增强效应、光学双稳/多稳态的实现等；同时，探讨此耦合的量子系统在新型纳米光学器件合成方面的应用。本研究不仅对量子光学、信息科学、固体材料学等学科间的交叉融合具有一定的推动作用，而且为新型纳米光学器件的研发提供一定的理论依据。

量子系统自发辐射及相关光学特性的研究是物理、材料、信息等相关学科的交叉前沿课题。本项目结合量子光学与固体材料学，研究原子、量子点、朗道量子化石墨烯等量子系统与外部光场、磁场以及光子晶体的相互作用，分析了量子系统自发辐射的产生机理，通过数值模拟讨论了相关光学特性如原子的局域化、光学双稳/多稳态的实现、红外孤子的形成以及布居演化。同时，我们研究了原子、量子点与光子晶体微腔等的耦合及谐波产生、增强的光学非线性效应和弱光传输等。其具体的研究成果有：（1）基于与光场耦合的原子系统自发辐射特性，我们讨论了相干驱动的闭合环状四能级原子系统的三维原子局域化行为。通过解密度矩阵方程并调节系统参数，我们可以实现高精度的三维原子局域。而且，在适当的条件下，我们在特定位置找到原子的概率可以达到 100%。（2）理论上分析了不同激光场与四能级石墨烯量子系统相互作用的物理机制，考虑系统自发辐射特性并进行数值模拟，讨论了光学双稳/多稳态的实现。结果显示，通过调节系统参数，我们很容易实现光学双稳态和光学多稳态的相互转化。同时，我们研究了在拉曼激发下石墨烯量子系统中红外孤子的形成，研究表明，由于光学非线性效应和色散效应平衡的结果，在该量子系统中可以形成明、暗孤子。此外，我们在一个被少周期激光脉冲驱动的石墨烯量子系统中讨论了布居随时间的演化特性，在该系统布居演化中能观察到类似拉比振荡的现象和带内布居反转。（3）为了揭示光子晶体微腔与量子点相互作用的物理机理，我们提出一个在与单个半导体量子点耦合的光子晶体微腔中产生高次谐波的新方案。结果发现，在两个分离的量子点与相同的光子晶体腔模耦合的情况下，谐波的产生可以通过集体相干而显著增强。此外，利用增强的二阶或三阶光学非线性效应，在与单原子耦合的微共振器及微腔系统中讨论了光频谱梳的实现、弱光传输以及谐波的产生。总之，这些研究不仅对量子光学、信息科学、固体材料学等学科间的交叉融合具有一定的推动作用，而且为新型纳米光学器件的研发提供一定的理论依据。