基于Rydberg阻塞的等效势和超级原子的理论研究

发布时间：2020-07-25 20:35

【摘要】：里德堡原子是指原子的最外层电子被激发到主量子数n非常大的高激发态(里德堡态)情况下的原子,它们的电偶极矩比一般中性原子大很多,因而里德堡原子之间存在很强的偶极-偶极相互作用,使得当多个相互作用的里德堡原子被共振光场激发时,仅有一个原子可以被激发到里德堡态,这就是备受关注的里德堡阻塞效应。此外,处于里德堡态的原子还具有自发辐射寿命长等特点。近年来,里德堡阻塞效应在量子信息、超冷等离子体、原子相干激发和多体物理等领域有着广泛的应用,引起了人们很大的兴趣和深入研究。本论文基于里德堡原子间的强偶极-偶极相互作用,研究了下面三个方面的内容,取得了若干具有一定创新性的研究结果:首先,我们求解了在共振激光驱动下的两个偶极-偶极相互作用的阶梯型三能级里德堡原子组成的体系的本征态,发现该系统具有两个能量本征值为零的本征态(二重简并的暗态),这与文献Phys.Rev.Lett.100,170504(2009)单个暗态的结论是不同的。由于该文献利用受激拉曼绝热跟随技术来产生纠缠态和实现量子逻辑门,而绝热跟随技术在非简并情况下和简并情况下有不同的结论,所以上述文献存在着不足之处,对此我们进行了讨论和评述。我们还求解了在共振激光驱动下的两个偶极-偶极相互作用的Λ型四能级里德堡原子所组成的体系的暗态,发现该系统具有五重简并的暗态,这个结果为我们研究基于暗态的等效矢势和磁单极子奠定了基础。第二,我们研究了激光驱动下的两个Λ型四能级里德堡原子组成的体系中产生等效矢势的方法。根据Wilczek和Zee的理论,我们基于上述简并暗态计算了该体系的非阿贝尔几何相,得到了等效矢势,并提出了一个产生磁单极子的方案。第三,我们研究了光学腔中的里德堡超级原子,提出了两个可以产生量子纠缠态的方案。在这部分工作中,里德堡原子为阶梯形三能级结构,其中下面的两个能级与光学腔中的单模腔场相互作用,而上面的两个能级被激光场驱动。这个体系可以简化为里德堡超级原子与光学腔模和原子模的三体相互作用的体系。我们发现,通过控制光场与原子相互作用的失谐量和相互作用时间,可以产生腔场模与原子模的量子纠缠态。另一方面,如果两个或两个以上的里德堡超级原子同时与光学腔的单模腔场相互作用,可以通过与腔场的共同作用,使两个或多个里德堡超级原子纠缠起来。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O562.4
【图文】：

称为“范德瓦尔斯力”。范德瓦尔斯力普遍存在，它一般远小于向性；但是它可以影响物质的属性，例如氦气的熔点是 4K，而21K。这是因为氡的电子比氦多，受到的范德瓦尔斯力更大，所斯力的束缚转变成气体的温度也很高。另外较重的原子在临近原偶极矩更大，因而具有更大的范德瓦耳斯相互作用。偶极-偶极相互作用是指具有永久电偶极矩或被诱导电偶极矩的的静电相互作用。以中性原子为例，虽然整个原子是电中性的，的影响下，原子被诱导而产生电偶极矩。个电偶极子的电偶极矩分别为1 ，2 ，那么它们之间的偶极-偶（原子单位）可以写为： 3,512312RRRRVRdd 表电偶极子间的位置矢量。量子系统中，可以用 er ' 表示电 与 '代表不同的原子状态。

我们讨论两种极限情况。(1)在图 1-2（A）中，当312 R时，得到 3122 2RE (泰勒展开)。于是 666212RCREpp ,此时范德瓦尔斯势（van der Waals 长程势）起主要作用，根据2 n以及-3 n，进而得出范德瓦尔斯相互作用系数 C6与主量子数 n 的关系为116C n。而相互作用势是排斥或者吸引取决于失谐Δ的符号。范德瓦尔斯相互作用在超冷里德堡铷原子长程相互作用中担当着至关重要的角色。(2 在图 1.2（B）中，当312 R时，起作用的是共振（Forster 共振）偶极-偶极相互作用，33RCEpp ，其中43C n,相互作用能的大小由31 R 决定。

师范大学硕士学位论文 第 1 章由于具有较大的偶极矩，里德堡原子之间的长程偶极 偶极相互作用极3]。这种强烈的偶极-偶极相互作用会引起原子共振能级的移动，所以当同时满足共振跃迁条件的时候，只有一个原子能有激发到里德堡态，另的激发因为能级的移动而被抑制。以此类推，在临近范围内的其他原子该里德堡原子的影响而无法激发，这种效应被称为“里德堡阻塞效应”或塞”[14]。类似于库仑阻塞，这个过程是由于相互作用势诱导能级移动或的[15]。

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