微腔阵列中原子系综的量子多体效应及其调控

The coupled microcavity arrays is one of the most significant approaches to realize the ultracold atomic and optical system. Almost all attentions of the present theoretical and experimental studies are on the system consisted of a series of microcavities, in which a single two-level atom is coupled with the cavity mode. However, considering the rich quantum many-body physics of the system of the microcavity with two-level atomic ensemble coupled with the cavity mode, the theoretical researches and experimental realizations of this system are very important. In this project, the studies will base on this system to explore the quantum many-body effects and their manipulation. Specifically, we will focus on: (1) the influences and the manipulation of the decoherence mechanics of the system and the photon blockade effect induced by the interaction of atoms and photons in the open system of atomic ensembles coupled with the microcavity; (2) the influences on the coherent tunneling mechanism of the photons induced by the interaction of atoms and photons in the system consisted of double coupled cavity-atomic system, and furthermore the generation and manipulation mechanism of the non-Abelian Josephson effect of the photons in this system; (3) the influences on the quantum many-body physics and the global manipulation of the system induced by the competition between the interaction of atoms and photons and the non-local tunneling effect of the photons, and furthermore the generation mechanism of the disorder quantum phase (glassy phase) induced by the fluctuation of the system parameters. The work will be helpful to reveal the novel quantum many-body effects and their manipulation mechanism in the system of coupled microcavity arrays with atomic ensemble. It can also provide the theoretical foundation for the experimental research.

微腔耦合阵列是实现超冷原子光学系统平台的一种重要手段。当前国际上这方面的理论与实验研究均主要集中于单原子的耦合微腔阵列。鉴于二能级原子系综耦合微腔系统本身即蕴含了丰富的量子多体现象，其理论研究和实验实现都非常重要，本项目拟以原子系综耦合微腔阵列为基础，探索量子多体系统中的多体效应及其调控机制。研究重点包括：（1）开放多原子耦合微腔系统中光与物质相互作用对系统退相干机制及光子阻塞效应的影响与调控；（2）双微腔耦合系统中光与物质相互作用对光子相干隧穿机制的影响，以及光子非阿贝尔Josephson效应的产生与调控机制；（3）一维耦合微腔阵列中光与物质相互作用和光子非局域化效应的竞争对系统量子多体物理和系统全局调控机制的影响，以及系统参数涨落引发无序量子相（glassy相）的产生机制。通过本项目的研究，将有助于探索原子系综耦合微腔阵列中的新奇量子多体效应及其调控机制，为实验研究提供理论依据。

冷原子系统是研究光与物质相互作用机制的理想平台。在腔驱动冷原子系统中，光场分布依赖于冷原子气体的空间分布，同时又会反过来影响系统中的原子分布。本项目主要研究超冷原子与光学腔耦合系统的基态行为及其调控。探讨多原子微腔系统/耦合微腔系统中光与物质相互作用、微腔耦合作用等不同效应导致的系统基态行为的变化，并给出其相图。具体为：(1) 在超冷原子与超精细光学腔耦合系统中，借助腔辅助Raman跃迁，可实现Dicke类型的量子相变。我们研究了该系统的基态特性，特别是在实验可控参数范围内，基态相图与光场极化之间的关系；(2) 在以上研究工作基础上，进一步探索了光场与原子自旋系综之间的非线性相互作用引起的无序效应，以及由于非线性相互作用的引入导致的系统基态行为变化；同时研究了二能级原子机械振子微腔系统中，由该非线性光场-原子相互作用所导致的系统多稳宏观量子态，以及该系统中的量子相变；(3) 研究了双微腔耦合系统的耦合机制及其基态特性。由于光学腔耦合作用的出现，系统中将增加一种有效调控手段。微腔耦合作用和光与物质相互作用之间的竞争导致系统基态行为发生深刻变化，特别也将对光场极化分布产生较大影响；(4) 研究了一维金刚石N-V色心自旋系综微腔耦合链中集体自旋耦合、腔内光子与集体自旋相互作用以及自旋系综非均匀展宽等作用机制之间的竞争对系统基态行为的影响，以及由此而产生的多体现象及其调控机制。本项目的研究工作有助于探索原子系综耦合微腔阵列中的新奇相及其调控机制，为相关实验研究提供理论依据。