超冷里德堡原子气体中光的非线性传播效应研究

Due to their unique physical properties and potential application prospect, in recent years great attention has been paid to the study of ultracold Rydberg atoms. In this project, we shall make the investigation on the effect of nonlinear propagation of light in ultracold Rydberg atomic gases, which include: (1)Develop a theoretical method beyong mean-field approach to study the quantum dynamics of interacting Rydberg atomic system and calculate every-order correlation functions of atomic transition operators in a systematic way, so as to obtain every-order optical susceptibilities contributed by atom-atom and photon-photon interactions; (2)Study highly efficient four-wave mixing and the formation and propagation of weak-light spatial-temporal solitons in the ultracold Rydberg atomic system based on the giant enhancement of nonlinear response resulted from electromagnetically induced transparency effect; (3)Study Rayleigh and Raman scatterings of light in ultracold Rydberg quantum gases based on Rydberg-dressed Bose-Einstein condensates; (4)Explore the possibility of storage and retrieval of optical solitons by using ultracold Rydberg atoms. The implementation of this project is of importance for the finding of new nonlinear and quantum effects of ultracold Rydberg atoms and has potential applications in optical and quantum information processing.

由于其独特的物理特性及潜在的应用前景，近年来超冷里德堡原子引起了人们的极大关注。本项目开展超冷里德堡原子气体中光的非线性传播效应研究，内容包括：(1)建立超出平均场处理的理论方法，系统研究相互作用里德堡原子体系的量子多体动力学，计算原子跃迁算符的各阶关联函数，从而得到由原子-原子、光子-光子相互作用所贡献的各阶非线性光学极化率；(2)基于电磁诱导透明效应所导致的非线性响应的极大增强，研究超冷里德堡原子体系中光场的高效四波混频与弱光时空孤子的形成与传播；(3)基于里德堡缀饰的玻色-爱因斯坦凝聚，研究超冷里德堡量子气体中光的瑞利与拉曼散射；(4)探讨利用超冷里德堡原子实现光孤子的存储与读取的可能性。该项目的研究对于揭示超冷里德堡原子体系中的新奇非线性与量子效应及其在光与量子信息处理中的应用均有重要意义。

由于其独特的物理特性及诱人的应用前景，超冷里德堡原子的研究成为倍受关注的重要课题。本项目开展超冷里德堡原子气体中光的非线性传播效应研究，取得了以下几个方面的研究成果：（1）建立了超出平均场的理论方法，由此系统研究了超冷里德堡原子系综的量子多体动力学；详细计算了在电磁诱导透明（EIT）条件下里德堡原子跃迁算符的各阶关联函数，得到了由原子-原子相互作用所贡献的各阶非线性光学极化率的解析表达式；证明了由于里德堡原子之间的偶极-偶极相互作用，体系的光克尔效应可大大增强，且可得到超强的五阶光克尔效应。（2）利用所建立的超出平均场处理的量子多体计算方法，研究了里德堡电磁诱导透明（Rydberg-EIT）的线性与非线性响应特性，发现 Rydberg-EIT 的瞬态行为强烈地依赖于体系的里德堡阻塞效应，证明了Rydberg-EIT的响应速度比通常EIT的响应速度要快得多。（3）基于Maxwell-Bloch 方程组和体系的Rydberg-EIT所导致的非线性光学效应的极大增强，导出了具有色散、衍射、局域和非局域非线性的探测场包络方程，得到了各种非局域情形下具有极慢的传播速度和极低的产生功率的非线性(3+1)维光脉冲(光子弹)；证明了这些高维光脉冲进行主动控制，包括它们的高效和高保真的存储与读取等。（4）提出了在里德堡原子气体中实现宇称-时间（PT）对称光学势的物理方案;研究表明，通过调节非局域克尔非线性可对体系PT相变的相图和高维非局域光孤子进行主动操控;具有非局域克尔非线性的超冷里德堡原子气体中光波的非线性衍射具有十分新颖物理特征;通过常密度光波调制不稳定性和体系的非局域克尔非线性效应可得到若干类型的光学自组织结构。该项目的研究结果不仅对于揭示超冷里德堡原子的新奇量子与非线性效应有重要意义，而且在光与量子信息的处理与传输等中也有潜在的应用。项目执行期间发表有关SCI 论文 27 篇, 其中Phys. Rev. A 11 篇，Optica 1 篇，Laser & Photon. Rev. 1 篇, ACS Photonics 1 篇, Opt. Lett. 1 篇，Opt．Expr. 5 篇, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr.1篇， New J. Phys. 1 篇；在国内外有关学术会议上做学术报告 12 次。