金属纳米颗粒在光机械系统中的量子光学效应研究

Optomechanics is one of the hot topic at present. It has important applications in the laser cooling of the mechanical resonator, the interaction of light and matter, quantum information and the high precision mass measurement. We’ re going to study a optomechanics in which the quantum dot-metal nanoparticles hybrid system couples to a nanomechanical resonator through deformation potential coupling. The investigation of the optomechanics is very interesting because of the plasmon field in the surface of the metal nanoparticle. The theoretical investigation on high precision mass measurement of the optomechanics has been reported in Physics Reports. However, in this project we’ re going to study the laser cooling of the mechanical resonator, optical bistability and quantum entanglement of the optomechanics. The main content of this project includes: base on the Hamiltonian of the optomechanics we derive a master equation applying the Born-Markov approximation to eliminate the bath. Base on the master equation, (1) for the investigation of the laser cooling of of the mechanical resonator, using the perturbation theory to obtain the reduced density operator equation of the mechanical resonator, (2) for the investigation of the optical bistability, using semiclassical theory (ignoring quantum coherence) to obtain the equation of the exciton number, (3) for the investigation of quantum entanglement of the excitons, after a proper canonical transformation tracing out the freedom degrees of the phonon in the mechanical resonator to obtain the reduced density equation of the excitons. The results will show the important role of the plasmon field in the quantum optical effects.

光机械系统是当前热门的研究领域之一。它在机械振子的光冷却、光与物质相互作用、量子信息以及高精度质量测量方面有着重要应用。本项目拟研究量子点与金属纳米颗粒耦合体系和纳米机械振子通过量子点形变势耦合而成的新型光机械系统。由于金属纳米颗粒的等离激元场的参与，该系统的量子光学效应研究变得更加有趣。该系统在高精度质量测量方面的理论研究已被综述期刊Physics Reports报道。然而，本项目拟研究该系统在光冷却、光学双稳性以及量子纠缠方面的应用。具体内容为：在系统的哈密顿量基础上通过玻恩-马尔科夫近似处理热库获得系统主方程；（1）采用微扰理论获得纳米机械振子的约化密度算符方程研究光冷却,（2）采用半经典理论忽略量子相干性获得激子数方程研究系统光学双稳性,（3）通过适当的正则变换后对声子自由度求迹获得激子约化密度算符方程研究激子间的量子纠缠。研究结果将体现等离激元场在该系统量子光学效应中的重要作用。

机械系统是当前热门的研究领域之一。我们研究了量子点光机械系统与金属纳米颗粒相互作用，通过求解系统主方程获取了激子数以及等离激元场增强。结果显示了这两个参量随时间呈快震荡和慢震荡两种效应。快震荡效应是由导致光学双稳性的系统非线性决定的，而慢震荡效应由机械振动造成的。由此可测定量子点与机械振子间的耦合常数以及机械振子频率。耦合常数的测定有助于对机械振子冷却的控制。而对机械振子频率的测定可以被应用于设计光学质谱仪。我们也研究了在外场激发下两个量子点可以通过交换声子进行相互作用。通过适当的正则变换后对声子自由度求迹获得激子约化密度算符方程，揭示了稳态纠缠度极大地受环境温度影响。在环境温度为0.1K条件下，稳态纠缠度可达到最大值0.7。也介绍了金属纳米颗粒上的等离激元场是两个量子点相互作用的平台，有利于激子间的纠缠现象产生。. 我们还研究了由光学腔和机械振子构成的各种复合腔光机械系统。在腔光机械系统中连接一个辅助光学腔。在红失谐条件下，可观察到光机械诱导透明现象。我们分析了该光学现象的物理机理，并列举了该系统在光调控方面的应用。在泵浦光与光腔频率共振条件下，在探测光透射谱上可以观察到一个增益峰。对该增益峰的观测可获得机械振子频率以及振子质量的变化，因而这个系统可被设计成光学质谱仪。适当地调节泵浦场强度可以极大地减小增益峰的频宽以致于测量精度可被提高三个数量级。我们还提出将两个腔光机械系统用光纤连接在一起有利于对探测光信号的存储。结果显示，该复合系统对探测光的存储时间比常用的存储方式提高了四倍。我们分析了存储时间被显著提高的物理原因，并阐述了相关的物理机制。在腔光机械系统中，我们分析了在机械振子上的金属纳米颗粒质量与探测光的群延迟时间呈线性关系。观测群延迟时间的细微改变可实现对几阿克金属纳米颗粒的测定。