冷原子物理中的定向布朗输运

定向布朗输运是一种通过非平衡机制把周期势阱中的无偏布朗运动转化为朝特定方向输运的现象。超冷原子气体是研究这种现象的理想载体。通过对光晶格中的冷原子施加适当的调制，可以在超冷原子气体中产生定向布朗输运。.本项目将深入研究冷原子物理中定向布朗输运这一交叉性课题。着重讨论：冷原子准一维输运受其它方向布朗运动影响的所谓维度约化效应；不同温度下超冷原子在光晶格中的输运效率；研究亚光子反冲冷却极限下的定向布朗输运，以借助冷原子物理来研究列维噪声驱动的布朗运动；探索在超冷原子气体中研究关联噪声驱动的定向布朗输运的可能性；探讨超冷原子碰撞对定向布朗输运的影响。.本项研究将深化对超冷原子气体耗散性的认识，也有助于扩大冷原子物理的应用领域，有益于其它研究领域（如生物大分子动力学、纳米器件设计等）涉及定向布朗输运现象的工作。

冷原子物理通常使用光晶格来产生空间周期性的分布结构，在这样的周期性势阱中，冷原子除了感受到保守的光学偶极力的作用，还有自发辐射导致的随机力的作用，这是激光冷却原子的源泉。在非对称的空间周期势阱中随机力可以诱导冷原子产生定向布朗输运。如果随机力满足大数定律（高斯噪声），那么产生的是寻常布朗粒子流；如果噪声遵从广义的Lévy统计，原子就会呈现反常扩散，由此可以诱导出反常布朗输运流。在一定条件下，光晶格中可以出现反常扩散，这是亚光子反冲冷却的机制之一。我们研究了Lévy白噪声与双态随机电报噪声共同驱动的反常布朗输运。我们发现，输运流可以随反常扩散指数变化而出现“流反转”（current reversal）现象，这种现象在此前的反常布朗输运研究中尚未有报导。我们讨论了产生这种现象的原因，认为随时间随机跳变的空间周期势，可以让驱动反常扩散的两种机制都能得以表现，这样的“双驱动机制”在此前的讨论中并没有得到澄清。我们还发现，势阱的空间对称破缺方向也对反常输运及“流反转”有影响，原因是随机电报噪声的调制带来额外的非对称性。此外，我们还研究了随机电报噪声强度对反常布朗输运的影响。. 粒子间的相互作用在冷原子物理中效应显著，随着原子密度的增加，也必然对布朗输运产生重要影响。在研修冷原子碰撞理论过程中，我们找到了粒子间几种常见的长程相互作用的解析解，我们重点研究了“原子实极化”相互作用势的解，这是一个同时含有库伦势与离子极化势的“两尺度势”，既可以描述价电子与原子实的相互作用，也能用于研究最新的“重里德伯态”，但是此前人们从未得到过“两尺度势”的解析解。我们讨论了该解析解在趋于零和无穷远的渐近性质，得到了“量子亏损”的表达式。这些结果对于未来开展电子与离子、正负离子、电子与原子等粒子间的相互作用研究将发挥重要作用。. 此外，课题组成员还使用高数值孔径的菲涅尔波带片研究了椭圆偏振光的紧聚焦，详细探讨了在紧聚焦情形椭偏光的光子自旋角动量与轨道角动量的转化，提供了在紧聚焦过程中光子的自旋角动量向轨道角动量转化的有效证据。该项研究成果可用于探索冷原子团中的涡旋态和环上的冷原子输运。