基于玻色—爱因斯坦凝聚体腔光机械系统的单光子路由器(2)

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参考文献 21

致谢 22

1 前言

1.1 玻色-爱因斯坦凝聚体

自然界中，微观粒子按照它们的统计性质可分为两类：玻色子和费米子。玻色子是遵循玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。费米子是服从费米-狄拉克统计，自旋为半整数的粒子。1924年，印度科学家玻色通过将光子作为数量不守恒的全同粒子处理而成功推导出了普朗克黑体辐射定律。随即，爱因斯坦将玻色对光子的这种统计方法扩展到了全同粒子理想玻色气体。他预言：在足够低的温度下，当粒子的德布罗意波长超过粒子间的平均距离时，理想的玻色气体将发生相变，变成一种新的物质状态。后人将这种相变称为玻色－爱因斯坦凝聚（Bose—Einstein condensation,简称BEC)，而处于这种新状态的物质也被称为玻色－爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein Condensates,简称BECs) [1]。在凝聚体中，宏观数量的玻色子占据在最低能量态上，通过宏观方式表现出相同的量子特性。

1.2 玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统

1925年，爱因斯坦(Einstein) 发表文章，将其推广到全同粒子理想气体，从理论上预言了玻色-爱因斯坦凝聚现象的存在，即在很低的温度下，无相互作用的玻色子会在最低能量量子态上突然凝聚，达到可观的数量。但是，由于受到技术的限制，一直到1995年，实验观察气相原子的玻色-爱因斯坦凝聚的愿望才终于实现了。美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA)和国家标准技术研究所(NIST)的Wieman小组于1995年7月首先报道了在实验上观察到的87Rb原子的玻色－爱因斯坦凝聚现象；同年８月，美国Rice大学的Bradley 小组报道了7Li原子的玻色－爱因斯坦凝聚的观察结果；11月，MIT 的Davis等人又报道了23Na原子的玻色－爱因斯坦凝聚的实验结果．这三个实验宣告了实验观察到的玻色－爱因斯坦凝聚的实现，在物理界引起了强烈反响，是玻色－爱因斯坦凝聚研究历史上的一个重要里程碑[2]。

Esslinger 小组成功的把玻色－爱因斯坦凝聚原子导入并约束在了光腔之中，在外场的驱动下实现了玻色-爱因斯坦凝聚原子与内腔场的相互耦合，从而构造了玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统。典型的腔光机械系统由一个光腔和一个机械振子通过辐射压力耦合形成，其中构成光腔的两个腔镜中有一个腔镜是固定，而另一端的腔镜可以自由振动，我们将它看作机械振子。光腔的品质因子通常都非常高，因此当光腔受到激光驱动的时候，进入腔内的光子在出射出光腔之间被来回反射很多次。光子在被反射时动量将发生改变，从而对振子施加一个作用力，这个力通常被称为辐射压力。机械振子在辐射压力的作用下将会在平衡位置附近做简谐振动，从而改变了光腔的长度以及腔内光场的分布，光腔的频率因此也就随着机械振子的运动而发生了改变。这样，光腔与机械振子之间就通过辐射压力有效地耦合起来，形成近年来的一个研究热点—腔光机械系统[3]。实验上已经实现了多种腔光机械系统，其中玻色—爱因斯坦凝聚体腔光机械系统就是其中非常重要的一种。玻色爱因斯坦凝聚体的集体振荡在其中起到了机械振子的作用。

1.3 玻色—爱因斯坦凝聚体的研究意义及应用

1.3.1 玻色—爱因斯坦凝聚体的研究意义

玻色-爱因斯坦凝聚体的实现为物理研究开辟了一个新的领域。从 1995 年玻色-爱因斯坦凝聚实现以来，对于玻色-爱因斯坦凝聚的实验和理论研究得到了更多的关注，许多实验组取得了可喜的成果。例如，在玻色—爱因斯坦凝聚体中光速能够急剧减慢，利用光子晶体模拟固体效应在玻色—爱因斯坦凝聚体中实现压缩态，将玻色-爱因斯坦凝聚体导入到光腔中与光腔耦合形成光机械系统的研究等。作为一种新的物质形态，玻色-爱因斯坦凝聚体本身研究就具有重大的科学意义，而玻色—爱因斯坦凝聚体的应用研究更是意义重大。玻色—爱因斯坦凝聚体在原子激光，原子芯片技术，天体物理中白矮星模拟研究，量子信息通信处理，高精密测量等领域中有着广阔的应用。