光学微腔中反铁磁气体的量子光力学

In recent years, great advances of nanofabrications and quantum optomechanics have led to significant contributions to a broad ranges of fields, i.e. creaions and manipulations of macroscopic quantum states, classical-to-quantum crossover of increasing-size objects, and many practical applications from quantum phononics to quantum memory or high-precision interferometers. In apparallel to the top-down case, people also experimentally demonstrated the so-called bottom-up case, i.e. an analog of fictitious mechanical elements via exciations of ultracold scalar atoms trapped in an optical cavity. Most recently, by considering the spinor atoms (antiferromagnetic spin-rotor gas) trapped in a cavity, we theoretically realized an analog of optomechanical control of fictitious rotational, instead of vibrational degree of freedom, with dispersive (instead of linear) coupling between the rotor and the cavity mode. This work provides an efficient way to cool the spin rotor to its quantum ground state (even with large number of particles). Starting from this work, we plan to theoretically study in this project the following very interesting topics: quantum jumps near the spin-rotor ground state, realizations of quantum squeezed rotor, and coherent coupling between the spin rotor and various nano-mechanical oscillators (such as the cavity mirror or the cantilever attached with a tiny magnet), especially quantum state transfer or entanglement within this new type of hybrid quantum device. These researches hold the promise to lead to more fruitful works along this fascinating direction combining the ultracold atoms, molecules, and the nanoscale devices.

近年来，纳米微刻技术和量子光力学研究不断进展,明显推动诸多有广泛兴趣领域的发展,如宏观量子态产生与调控,宏观系统经典-量子渡越及一系列技术应用（基于纳米微振元的量子声学、光存储、干涉仪与传感器）。与此平行，人们用囚禁于光腔中的标量超冷气体及集体激发(bottom-up情形)模拟真实机械振子(top-down情形)，实验展示了虚拟振动自由度的线性光力耦合。最近，基于光腔中的旋量气体（反铁磁转子），我们从理论上发现对虚拟转动自由度的非线性光力耦合，借助该耦合将大粒子数自旋转子气体冷却到量子基态(PRL 106(2011)223601)。在此基础上，本课题进一步理论研究两方面问题：首先，研究基态附近的量子激发与量子态调控（如压缩转子与双转子纠缠）；其次，探索基于旋量物质波的光力学调控或新型混合量子器件，如自旋转子-机械振子量子传递与纠缠，及旋量原子分子-纳米悬臂相干耦合。

首先对于PT对称光力学系统：在光微腔-冷原子杂化系统、宇称-时间（PT）微腔-冷振子杂化系统、以及冷原子-冷分子混合系统（超化学）等方向上取得较系统的成国：提出了旋量凝聚体（BEC）微腔冷却方案；预言了BEC-力学振子量子互换、光子-原子激光量子互换；揭示了PT对称声子激光、PT对称破缺混沌与快光等新量子效应；发现了冷分子合成的类双缝干涉效应、BEC置换反应与量子噪声效应、激光催化自旋混合效应。发表SCI论文3篇，其中Phy.Rev.Lett.文章（113,053604,2014）被德国美国学者评价为“开创性工作”，被Science点评文章及美国、欧洲等十多个国家的学者引用；相关成果得到国际同行的高度评价（例如美国科学院院士叶军NJP综述提名点评）。.其次，由于在制造纳米材料的巨大进步，探索和驾驭外来的量子效应如Casimir力的研究变得空前的活跃。由于元件各部件表面之间的空间分离Casimir力变的越来越重要，Lamoreaux在1997年最早精确测量了Casimir力，随后也被其他的几个实验组实验验证。Casimir力导致的新奇的量子效应也被揭示，例如力学位移间的空穴摩擦，纳米粒子间的非接触束缚，非线性力学震荡，跃迁线附近的巨大空穴力。Casimir力之间的实际应用如量子探测位移强调了它在未来量子科技上的重要作用。在我们的工作里，通过结合两方面的研究领域，我们对腔光力系统中的Casimir力效应作了如下研究：.我们采用典型的光力系统，在法布里铂罗腔外可移动腔镜外放置一可移动的小球，调节纳米球和腔镜之间的距离，在纳米球固定的情况下探索了Casimir力对光力系统电磁诱导透明窗口的影响。通过系统求解Heinsenberg-langevin方程以及标准输入输出关系得出探测场的透射率。再通过解析和方法找到Casimir力控制光场转换的效应的变化趋势。通过对比有驱动光和无驱动光的情况由数值确认了仅仅通过调节Casimir力的强度光力诱导透明窗口可以完全关闭或者重新打开。这一成果预示着纳米尺度量子开关设计的可能性。