基于里德堡原子的量子相干特性的研究

摘要

里德堡原子由于其特殊的物理性质，具有很丰富的研究意义和应用价值，从被提出之后就一直是人们关注和研究的重要内容之一。激光冷却技术的发展，为里德堡原子的发展提供了更多的技术和途径。超冷原子物理的出现，为里德堡原子的研究提供了完美的平台，使其在理论和实验研究方面取得了很大的突破。在超冷原子的低温尺度内里德堡原子的热动能可以忽略不计，原子的状态可以看作是静止的。所以，对超冷里德堡原子的动力学行为有主要影响的是原子间的强相互作用。另外，里德堡原子特有的偶极封锁效应（dipole blockade effect）也引起了人们的关注，运用偶极封锁机制可以实现量子逻辑门以及对量子态的操控。里德堡原子所具有的独特性质不仅关系到原子物理和量子信息的许多重要问题，在等离子物理、天体物理等科技领域的研究中也有重要的研究价值和应用前景。另一方面，物理学中一些典型的原子相干和量子干涉效应，如电磁诱导透明（EIT）、相干布居捕获（CPT）以及自发辐射干涉相长和相消（SEEC）等现象，也是人们重点研究的内容。最近，人们将量子相干的研究拓展到具有强相互作用的超冷里德堡原子领域。研究里德堡原子的量子相干特性，对于里德堡原子的发展有很大的积极作用。
　　在本篇论文中，基于里德堡原子间的偶极相互作用，探究了三能级里德堡原子的量子相干现象。主要研究了里德堡原子间的偶极相互作用对电磁诱导透明的光学特性的影响，以及偶极相互作用对里德堡原子光学双稳态的影响。研究内容如下：
　　(1)研究了里德堡原子介质的电磁诱导透明的线性和非线性光学特性。用强控制场和弱探测场与三能级梯形里德堡原子相互作用，运用迭代法计算密度矩阵元的一阶线性和三阶非线性解，研究其吸收和色散与相互作用强度的关系。研究结果表明，若不考虑偶极相互作用，则表现出典型的电磁诱导透明现象；当里德堡原子间存在偶极-偶极相互作用时，电磁诱导透明的线性和高阶非线性光学特性发生了变化，并随着原子间相互作用的增强表现出一定的规律。
　　(2)研究了三能级里德堡介质的光学双稳态现象。用两束光场与三能级梯形里德堡原子发生相互作用，并将N个均匀加宽的三能级原子放入单向环形腔中，基于原子间的偶极相互作用，研究其光学双稳态的特性。研究结果表明，里德堡原子间的偶极相互作用对光学双稳态的特性具有一定的影响。随着相互作用的增大，其光学双稳态的阈值增大，原子对光场的吸收是增强的。所以可以通过改变里德堡原子间的相互作用，控制光学双稳态的行为变化。
　　总之，利用外加场与里德堡原子系统的相互作用，基于里德堡原子间的偶极-偶极相互作用，研究电磁诱导透明的光学特性以及光学双稳态特性。我们的研究不仅有助于加深对量子相干效应的理解，而且对里德堡原子特性的研究有一定的积极作用，为里德堡态的量子相干特性的研究提供了理论帮助。