驻波场驱动的量子系统中亚波长局域及相关特性的研究

Localized detection provides the experimental basis for quantum field theory and quantum optics, they are critical for understanding relativistic aspects of quantum information processing. Nevertheless, analysis of localization in the relativistic regime is still incomplete. A stark contrast between the ability to manipulate single photons or trace molecules with subwavelength accuracy and the lack of clarity in describing the microparticle localization is illustrated. The project aims to study the subwavelength localization and related properties in quantum systems under the action of standing-wave fields by utilizing the time-dependent Schrödinger equation, including the localization of atomic ensembles, precise positioning of nitrogen-vacancy (NV) centers, as well as electron localization, etc. Then, we will discuss the formation mechanism of subwavelength localization and the effective control methods. Also, the influence of position-momentum uncertainty relations and diffraction effects on the microparticle localization is discussed. Simultaneously, we will study some dynamics of the localized state in order to confirm the stability of subwavelength localization. Our investigations may provide the theoretical basis for laser cooling and trapping of neutral particles, nanolithography, Bose-Einstein condensation, and biomolecular imaging which based on this quantum system.

局域探测为量子场论和量子光学提供了实验依据，这对理解量子信息处理过程中的相对论方面至关重要。然而，在相对论领域局域化的分析仍然是不完善的。人们操作单光子或追踪具有亚波长精度分子的能力和描述粒子局域的缺乏形成鲜明对比。本项目旨在利用含时薛定谔方程研究由驻波场驱动的量子系统中的亚波长局域及其相关特性，包括原子系综的局域、氮空位中心的精确定位、电子的局域等，探讨亚波长局域形成的机理和有效调控方法，进而讨论位置-动量不确定关系及衍射效应对微观粒子局域的影响。同时，我们研究局域态的动力学特性以证实亚波长局域的稳定性，为基于该量子系统的激光冷却和中性粒子囚禁、纳米光刻技术、玻色-爱因斯坦凝聚以及生物分子成像方面的应用提供一定的理论基础。

驻波场驱动的量子系统中亚波长局域及相关特性的研究已经成为量子光学、非线性光学、精密测量等领域中十分重要的前沿课题。本项目研究了原子系统、石墨烯系统和微腔耦合系统中的三维原子局域、布居动力学行为以及谐波产生和增强等现象，探讨了这些现象产生的物理机制和相干调控方法。主要结果有：i）利用空间位置依赖的原子-场相互作用，通过测量探测吸收谱获得了高精度的三维原子局域。ii）研究了石墨烯系统中布居动力学特性，以及光孤子、光学双稳态和多稳态等非线性效应的调控。iii）在有源微腔中提出了实现谐波产生及增强的有效方案，并且探索了全光控制弱光传输和Fano共振。iv）研究了具有宇称-时间反演对称性的光学微腔系统中的谱线演化和增强的非线性光学特性。v）讨论了表面增强拉曼散射特性及拉曼技术的应用。这些研究结果为原子纳米光刻技术和远程保密通信技术的研发及优化设计提供一定的理论指导，在高速电子和光电子器件、全光开关、超快芯片信号处理器等器件设计方面具有潜在的应用价值。