宏观物理系统中的反常涨落：通往宏观量子效应的关键实验技术

发布时间：2020-09-14 17:21

　　 涨落是物理世界中最普遍的现象,在有限温度下,任何物理系统都有涨落。对涨落的认识不仅有助于我们理解经典物理系统的耗散,也可以帮我们把握量子系统的退相干行为。在大多数情况的,宏观系统动力学行为表现出经典的涨落特性,而微观系统如原子,电子自旋等的动力学演化却由量子力学来描述。这种经典与量子的区别一直是困扰物理学家的课题。在从微观到宏观的过程中,量子力学的可逆演化特征是如何向经典的不可逆涨落转变的?宏观尺度的量子效应如何存在?实验上深入观察宏观,复杂系统的涨落行为,并在此基础上对其实现有效的控制,对探索这类问题有着潜在的重要意义。 近年来发展起来的新物理体系,诸如超导,超流,冷原子,自旋系综以及纳米力学等,为我们提供了研究这些问题的实验手段,这些系统一方面在空间尺寸或粒子数量上具有和传统的单量子系统相比更加宏观的特征,另一方面又能在特定条件下表现出很强的量子效应,特别是纳米力学系统,近年来在量子科学研究领域受到了广泛的关注。 在这篇博士论文中的工作中,我们自行搭建的实验研究平台,实现了新的实验技术,以此研究了一个准宏观和一个宏观物理的涨落动力学行为。特别的,我们将展示两种从未被观测到过的反常涨落动力学行为。这些为将来我们开展基于纳米力学的宏观量子效应的实验研究打下了关键的技术基础。 1.借助新近发展起来的单电子自旋量子干涉仪,我们研究了由核自旋系综构成的准宏观系统的涨落行为,我们首先实现了借助单电子的朗道-齐纳干涉过程,实现了对自旋系综涨落强度的精确测量。更进一步的,我们借助高阶的动力学去耦技术,实现了对这个准宏观宏观系统的操控,并且首次观测到了该系统涨落中的量子效应。 2.为了研究真正意义上的宏观系统,我们搭建了室温下纳米力学系统实验平台,并且借助光纤干涉仪,实现了对纳米机械振子在室温下热涨落的实验观测。特别的,我们通过力学系统中的参数转换过程,实现了对探测过程产生中的反作用噪声的有效抑制,该技术为将来实现接近量子极限的机械振子运动测量提供了潜在的手段。 3.室温下的热涨落是远远大大过量子动力学行为的,我们因此进一步搭建了一套低温力学系统探测平台。特别的,我们借助对单个化学键形成过程中的特殊力学作用的精确控制,实现了目前力学系统中最强的非线性响应,这使得我们在纳米机械振子上观测到了一种特殊的非线性涨落行为-双稳态随机跃迁,该行为虽然早有理论研究,但是从未在宏观固体系统中观测到过。这为进一步实现量子涨落诱发的双稳态隧穿等宏观量子效应提供了的关键的技术突破。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O413.1
【部分图文】：

图1.1量子科学从微观单粒子到宏观多粒丫?的发展趋势。a,原/?的波函数分布的示意图。原丫?和经典的粒/?不同，其位置和动量无法同时定义，这是量了?力学的结论之一。b，广义相对论的预言之一——黑洞的示意图，广义相对论的重要假设是位置和动摄可以同时确定，更?耍的是，广义相对论是非线性的理论，与垣丫?力学有着本质的不同。是无法很轻易的移动某一个粒子的位置的（因为粒子交换对称性），这也能形成

图1.2抑制宏观系统涨落的关键在于存在刚性：构成宏观物体的围观粒子需要保持相位的相干。a，经典的刚性：固体材料，贵轮如果推动一个部位，整体都会发生移动，这样的刚性是由固体材料的微观粒./?形成稳定的化学键带来的。b,c,量了?刚性，超导中的载流子可以实现无阻力运动（b)，超流的流动也是保持整体相位相对固定，从而产生无摩擦力的运动（C)，和经典的刚性不同，超流和超导在微观下的相互作用是弱的，更像是液体，然而，其特殊的对称性带来了其刚性的存在。d，拓扑稳定性：拓扑绝缘体，就算局部的能量发生变化，甚至物质儿何结构发生改变，只要不改变系统整体的对称性，仍然能保持宏观量子特性不变，例如量子霍尔效应，就与时间反演对称破坏的密切关系，这一属性产生了特殊的输运行为，不受材料的尺寸，形状，以及局部的缺陷的影响。只是有能隙是不够的，产生贵子性的另一个必要条件是引入足够强的非线性效应，而这一非线性器件最早由约瑟夫森理论预言，之后很快在实验上得到验证[36—39】，进而逐渐发展成为超导量子干涉仪。随着纳米加工技术的发展，基于超导的量子器件的空间尺寸已经达到了几百微米量级，然而，如果计算量子干涉中涉及的粒子数（库伯对的数目），其量级在几十万之内相比于传统的单量子系统来说是，这是一个很巨大的数目了，O9是和几百微米的超导的器件中包含的载流子数目来说，还是一个很小的量。

图1.3超导量子系统。a,由超导环和约瑟夫森结构成的干涉仪，电流的大小由磁场控制。b,商用的超导干涉磁场探测器。C，D-Wave公司的超导量子退火芯片。1.2.2液氦超流超流和超导类似，其员子性来自于微观下粒子特殊的对称性，对于氦-4原子，其本身就是是波色子，在足够的低的温度下，发生波色-爱因斯坦凝聚，系统就自然的形成宏观最子基态。理论上，这种特殊的流体中，唯一的元激发就是声子，也就是机械波，而机械波的特点是其特殊的色散关系，其能段在低频极限下是线性正比于动量，这一性质使得该流体有一个特殊的性质，即在环境的振动速度足够小的时候（远小于机械波的声速），该流体将完全和环境相互脱离，因此导致环境的扰动不会造成系统的涨落，从而确保了宏观量子相干性[221，并使其能够无摩擦的流动[57]。而实际的，涨落仍然不可避免_。与超导类似，要想实验上量子行为的观测，需要一个非线性器件，也就是需要一个超

【共引文献】

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本文编号：2818445