稠密原子系综中的自发辐射相干效应及其在负折射材料中的应用

原子系统中的量子相干效应在新型材料、高精度测量和量子信息等领域具有重要的应用价值。利用量子相干效应可在稠密原子气体中于光波波段实现负折射，为促进这一方法的进一步发展，本项目拟对稠密原子系综中的自发辐射相干效应展开研究，利用其改变系统的光学响应从而实现负折射材料的电磁特性。具体内容包括：（1）研究稠密原子系统中的自发辐射相干效应，分析局域场效应对自发辐射相干效应的影响，以及自发辐射光谱的特征变化。（2）利用自发辐射过程的量子相干效应改变稠密原子系统的光学响应，修正介电常数与磁导率，在相干原子系统中同时实现负介电常数和负磁导率。（3）研究负折射材料电磁特性的变化规律，以及激光脉冲在基于自发辐射相干效应所实现的负折射材料中的动力学传播过程。.本项目将自发辐射相干效应的研究及应用扩展到稠密原子气体中，进一步发展了基于量子相干效应的实现负折射材料的方法，将有效促进新型光学材料的开发及实际应用。

原子相干和量子干涉效应一直是国际上激光物理和量子光学领域的前沿课题和研究热点之一，它是物质与光场之间最基本的相互作用。近年来，随着光与物质相互作用理论的逐步成熟和对原子相干效应研究的逐步深入，人们开始广泛关注一种真空辐射场感应的相干效应，称作自发辐射相干（SGC）效应。SGC效应可以引起许多特殊的光谱特征，例如谱线增强，谱线抑制，黑线等。由于量子干涉的存在，人们可以利用SGC效应方便有效地调制介质的辐射、吸收和色散等线性和非线性光学特性。因此，研究原子系统中的SGC效应，将有效促进SGC效应在新型材料、高精度测量、量子计算和量子信息等领域的实际应用。近几年来，利用量子相干在稠密原子气体中实现负折射的研究开始吸引人们的注意，并成为研究的热点。我们在稠密原子系统中开展SGC效应的研究，并进一步将其应用于负折射率的实现。首先我们对稀薄原子气体中的SGC效应进行了深入细致的研究，计算得出原子系统中的自发辐射光谱，总结归纳了外场强度、失谐等参数对自发辐射光谱的影响，研究了辐射能级粒子数随时间的动力学演化特性。基于稀薄气体中SGC效应的研究，我们研究了稠密原子气体中由于相邻原子间的偶极-偶极相互作用导致的局域场效应对SGC效应的影响，在SGC效应与局域场效应同时作用下原子系统的反应特征，将SGC效应的理论研究拓展到稠密原子气体中。利用SGC效应对介质的辐射、吸收和色散的调制，与局域场效应同时改变介质相对介电常数、相对磁导率以及吸收系数，在一定频率范围内实现吸收系数相对较小的负折射率。这无疑将增加控制负折射材料的负折射率和其它光学特性的新手段，促进新材料的实现及其应用。