具有复杂内部结构的物质波隧穿研究

As an important fundamental issue in quantum mechanics, the tunneling problem is renewed though it has a long story. With the development of science and technology, quantum tunneling phenomena have been observed and investigated in various fields. People found that some complicated tunneling problems can not be dealt with the traditional model of a particle without internal structure or a diatomic molecule with merely vibration modes. With these in mind, we aim to develop a model of diatomic molecules through a vector barrier involving energy levels of electrical transitions or spin structure. The main content of this project involves two parts: one is the tunneling of homonuclear (heteronuclear) diatomic molecules through an optical field with two types of potentials. We will explore how electrical transitions, the vector potential and the initial molecular state affect the tunneling process and propose a controllable tunneling model for complicated tunneling models (i.e., quantum biochemical process and cold fusion). The second part is the tunneling of an exciton through a magnetic medium. We expect that a controllable tunneling electron current and an effective spin current will be generated by modulating the magnetic field and other parameters in this project.

隧穿是量子力学中一个重要的基本问题，尽管其研究历史很长，但历久弥新。随着科学技术的提高，量子隧穿在很多领域都得到了观测和研究。在研究中，人们发现一些复杂问题用传统的无内部结构的点状粒子或只考虑振动能级的点状双粒子隧穿模型难以解决。基于以上现状，本项目拟推广传统隧穿模型，即考虑点状粒子的内部结构（如原子的电子能级或电子的自旋），势场也从简单的标量势变为复杂的矢量势，以期解决更多更为复杂的隧穿问题。具体而言，我们拟在以下两个方面开展研究：一是两种典型束缚势下的同核（异核）超冷双原子分子穿越光场的隧穿问题，深入探讨电子跃迁能级与矢量势耦合及入射分子状态对隧穿过程的影响。我们期望找出可控的隧穿模型，为隧穿理论在复杂问题（如量子生化过程或低能核聚变等）上的实际应用夯实理论基础。二是激子穿越磁性介质层的隧穿问题，期望利用磁场或其他系统参量调控实现激子隧穿电流的人工控制及有效自旋流的产生。

量子隧穿现象在量子力学基础问题和应用研究中扮演者重要的角色。为此，人们对其展开了广泛且深入的研究，获得了诸多重要的结果。但是，在以往的研究中，人们发现一些复杂问题用传统的无内部结构的点状粒子或只考虑分子振动能级的双原子分子隧穿模型难以解决。基于此，本项目将一维线性双原子分子拓展到一维三原子分子和二维双原子分子隧穿模型，系统地研究了具有更多内部结构粒子的隧穿问题。在项目执行中我们主要从以下两个方面展开研究：一是谐振子束缚势下的一维同核（异核）超冷三原子分子穿越点状势场的隧穿问题。研究结果表明，相对于通常的双原子分子隧穿过程，三原子分子隧穿过程行为更为复杂。在研究中，我们还首次提出了利用矩阵向量化的手段将多维问题降为二维问题的数学处理方法。该方法为处理多粒子和高维隧穿问题提供了合适的数学工具。二是研究了二维刚性/弹性转子穿过点状势问题，研究了纯转动及振-转能级各自对隧穿的影响。.在研究原子穿越光场的隧穿问题的同时，我们还拓展性地研究了光与原子相互作用时出现的光子阻塞现象及随机共振现象。本项目的相关研究成果已在国内外重要SCI学术刊物上发表了论文8篇，包含Phys. Rev. A 4篇，Optics Letters 1篇，Optics Express 1篇，EPL 1篇。项目经过四年执行基本完成了预期目标。通过本项目的研究，丰富了我们对具有复杂内部结构复合粒子隧穿问题有了更为深入认识和理解，促进我国在原子分子物理及原子核物理的研究。