弯曲时空原子间相互作用势研究

Except for the gravitational interaction potential, interatomic potential happens even when two neutral atoms are fixed in a vacuum, as a result of the interaction between the atoms and the fluctuating quantum field of the vacuum. This interatomic potential has been an old but energetic topic in physics. The interatomic potential can be classified into nonresonance interatomic potential and resonance interatomic potential, depending on whether the atoms concerned are in the same eigenstate. So far, people have noticed that obvious differentiations exist between the nonresonance interatomic potential and resonance interatomic potential, and the presence of boundaries, thermal radiation, and atomic non-inertial motions are found to be possible factors capable of significantly modifying the interatomic potential. We are aimed to study the interatomic potential of atoms coupled to various kinds of quantum fields in different curved spacetimes. Through such investigations, we will discuss the internal and essential combinations between the peculiar properties of curved spacetimes, such as the effects of curvature and intrinsic thermal properties of black hole spacetimes and de Sitter spacetime, topological defects of the cosmic string spacetime and the global monopole spacetime, on the interatomic potential.

即使处于真空中，中性原子间也存在非引力相互作用势，其根源是原子与真空中涨落的量子场的相互作用。该相互作用势是物理学中一个古老而又充满活力的研究课题。依据与场耦合的原子是否处于相同能量本征态，原子间的相互作用势可以分为非共振相互作用势和共振相互作用势。目前已有的研究结果表明闵氏时空中原子间的非共振和共振相互作用势具有显著差异，此外，时空中的边界、热辐射以及原子的非惯性运动都可能对原子间相互作用势产生重要修正。本项目拟研究各种弯曲时空中与不同量子场耦合的原子间的相互作用势，通过对弯曲时空原子间非共振和共振相互作用势的研究来探讨黑洞和de Sitter时空的曲率以及固有热性质、宇宙弦和整体单极子时空的拓扑缺陷等弯曲时空性质与原子间相互作用势内在的、本质的联系。

原子间相互作用势是原子与场相互作用过程中的一种显著的量子效应。本项目通过研究不同时空背景下各种环境中与不同性质量子场耦合的原子间相互作用势，探讨了时空特性、非惯性运动、边界、热辐射以及原子体系初始量子态等因素与原子间相互作用势内在的、本质的联系。.我们将研究原子辐射性质的DDC方法从原来的二阶推广到了四阶，从一个原子与库（如真空、热库）相互作用的情况推广到两个原子与库相互作用的情况，给出了四阶DDC的一般推导，得到了计算真空以及热库中与不同性质量子场耦合的两基态原子间相互作用势的正确公式，纠正了文献Phys. Rev. D 95, 085014 (2017)中的错误。与标准微扰论相比，这些工作从另一个角度（而不是光子交换角度），即量子场涨落和原子辐射反作用对原子与场相互作用的贡献的角度，解释了原子间为什么会产生相互作用势。.我们研究了de Sitter时空中与无质量共形耦合标量场相互作用的两基态原子间的相互作用势，发现de Sitter时空非常独特的热性质：对于两原子自由下落的情况，双原子系统感受到的热库与平直时空中温度为吉邦斯-霍金温度的热库不等同；对于静态原子非常靠近视界的情况，原子感受到的热辐射与平直时空中加速原子体系感受到的温度为安鲁温度的热辐射也存在明显差异。在闵氏时空和Rindler时空场量子化基础上，我们系统考虑了真空中、热库中和边界附近初始量子态分别是基态以及对称或反对称纠缠态的静态或匀加速原子间的相互作用势，揭示了热辐射、边界、非惯性运动以及量子场性质、原子初始量子态与原子间相互作用势的密切联系；并从原子体系辐射跃迁角度解释了为什么对于纠缠态关联的二原子体系，我们不需要在共动加速系中假设温度为安鲁温度的热库也能得到和瞬时惯性观测者完全一致的原子间相互作用能，而对于两个基态原子则只有在共动加速系中假设安鲁温度热库才能得到与瞬时惯性观测者完全一致的结论。