电子与光子拓扑绝缘体对量子光学过程的影响

Topological Insulator is a hot subject of the field of the condensed matter physics in recent years, and has attracted extensive attention due to its unique physical phenomena and physical mechanical, as well as its promising applications. This project plans to study the application of topological insulator on the field of quantum optics, and includes three mainly facets: the first, we would study the influence of the topological magnetoelectric effect of the topological insulator on quantum optics, especially discuss the spontaneous decay, electromagnetic induced transparency, Rabi splitting, and Rabi oscillation of atomic population, etc. The second, we would design and optimum the optical topological materials. Using its topological protection of light propagation, we would study the quantum optical phenomena of atom embedding in it. Especially, we would focus on the production of entangled double-photons, the keeping and protection of the entanglement between two atom, etc. The third，we would construct the optical topological cavity, and study the special atomic dynamics within it. Our project not only is the theoretic frontier of new material, condensed material physics and quantum optics, but also has tie with experiment and application.

拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及的许多重要的物理现象和物理机制，意味着广阔的应用前景。本课题研究拓扑微结构材料在量子光学中的应用，其中包含三大部分的内容。一、研究拓扑绝缘体对电磁环境的影响，以及原子在拓扑绝缘体附近的量子光学现象，包括原子自发辐射、电磁自感透明、真空拉比劈裂与拉比振荡；二、设计构造光学拓扑材料，实现对光传播的拓扑保护，进而与原子相互作用产生的奇特量子光学现象, 包括纠缠双光子的产生和传播，原子间纠缠的维持和保护；三、与腔结合，构建光学拓扑材料腔，研究原子在其中的动力学问题。本项目的内容即是新材料，固体物理和量子光学的理论前沿，又和实验和应用紧密相关。

拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及的许多重要的物理现象和物理机制，意味着广阔的应用前景。本课题研究拓扑微结构材料在量子光学中的应用，其中包含三大部分的内容。一、研究拓扑绝缘体对电磁环境的影响，以及原子在拓扑绝缘体附近的量子光学现象，包括原子自发辐射、电磁自感透明、真空拉比劈裂与拉比振荡；二、设计构造光学拓扑材料，实现对光传播的拓扑保护，进而与原子相互作用产生的奇特量子光学现象, 包括纠缠双光子的产生和传播，原子间纠缠的维持和保护；三、与腔结合，构建光学拓扑材料腔，研究原子在其中的动力学问题。项目取得的主要研究成果包括：.1.通过人工设计结构材料微腔，实现对电磁自感透明效应以及真空感应透明特性的控制。我们构造了电单负和磁单负材料组成的微腔，研究了处于微腔中的真空诱导透明现象，当阻抗相互匹配、耗散较小时，这样的微腔具有很高的品质因子，真空诱导透明将出现。理论和人造原子微波实验两个方面研究了三能级原子电磁自感透明的性质，指出透明窗口频率处的干涉特性，完全被损耗参数所调控，而并不依懒于控制光强度。.2.利用微结构材料的特性，研究了如何利用可调的电磁性质调控Casimir效应以及Goos-Hänchen位移。同时研究了量子干涉对Casimir的效应的影响。例如，双曲材料存在可以调控的双曲区间，这将直接影响电磁波的发射特性，从而使双曲材料的Casimir力远远大于通常介电材料的力。因此Casimir 力可以通过调节结构色散来控制。这些特性有可能在新型光电器件中得到应用。.3.利用特异材料设计微腔来调控处于其中的原子自发辐射特性。如我们设计了一种近100%效率的产生准直单光子方案。将激发态原子放置于一个由左手性材料和零折射特异材料构成特殊的F-P腔中，左手性材料可以反汇聚辐射的光子，零折射材料作为一种筛选器，只有准直光子才能穿过材料辐射出来。这样的技术可以应用于量子通讯或量子计算。