原子光學(xué)中的量子隧穿研究.pdf

1、在量子力學(xué)中,粒子具有波動性。由于這種波動性,粒子能夠以一定的概率隧穿比其能量高的勢壘。這種量子隧道效應(yīng)是經(jīng)典力學(xué)所不允許的,是量子力學(xué)特有的現(xiàn)象。量子隧道效應(yīng)廣泛存在于微觀粒子世界,比如核的α衰變等；同時,量子隧道效應(yīng)也是許多非常重要的器件如掃描隧道顯微鏡等的理論基礎(chǔ)。盡管取得了上述的成功,在量子隧道效應(yīng)中仍有許多未解決的基本量子力學(xué)問題。量子隧穿時間問題就是其中之一。1961年Hartman在量子隧道效應(yīng)的時間研究中給出了波包量子隧

2、穿時間隨勢壘厚度增加而飽和的現(xiàn)象,引起了量子隧穿是否超光速的爭議。此后,“隧穿究竟需要多少時間”這一問題一直是物理學(xué)界爭論的問題。對該問題的深入理解有助于人們更好的認識量子力學(xué)的本質(zhì),為發(fā)展新的量子檢測儀器奠定理論基礎(chǔ)。 本論文首先給出了超冷原子和激光光場相互作用的量子理論,并用該理論研究了原子穿越激光光場的隧道效應(yīng),對量子隧穿時間以及物質(zhì)波斜入射時所出現(xiàn)的橫向位移等問題進行了詳細的解析和數(shù)值研究.與通常的無內(nèi)態(tài)粒子的量子力學(xué)隧

3、穿問題相比,由于原子具有內(nèi)部能級,原子和激光場的相互作用會在光場區(qū)域同時出現(xiàn)等效勢壘和等效勢阱。因此,超冷原子物質(zhì)波通過激光光場的隧穿過程出現(xiàn)了許多新的物理效應(yīng)。本論文得到的主要結(jié)論如下： 1.研究二能級冷原子物質(zhì)波穿越平板光場的動力學(xué)。二能級冷原子物質(zhì)波和光場之間的相互作用可以用二分量的矢量Schr(o)dinger方程來描述。把光場區(qū)域的矢量Schr(o)dinger方程的勢能項對角化后,我們看到,光場和原子物質(zhì)波的相互作用

4、中既存在等效勢壘同時也存在等效勢阱。在量子光學(xué)中,通常認為在失諧量比Rabi頻率大許多的時候,可以絕熱消去激發(fā)態(tài)來化簡矢量Schr(o)dinger方程成為標量Schr(o)dinger方程。這樣處理的后果是忽略了勢阱(勢壘)的存在而直接得到原子基態(tài)穿越一個等效勢壘(勢阱)。數(shù)值分析顯示,在相當大的失諧量范圍內(nèi)是不能絕熱消去激發(fā)態(tài)的。 2.研究二能級冷原子物質(zhì)波穿越光場時基態(tài)的相位時間。在得到基態(tài)的透射系數(shù)后,我們發(fā)現(xiàn)在某些確定

5、的失諧量、Rabi頻率和平板光場寬度的條件下,即使入射能量不為0,透射系數(shù)可能會很小,甚至?xí)档偷?。通過對相位時間的分析可以看到,此時基態(tài)透射相位時間相對無內(nèi)部能級的量子力學(xué)粒子隧穿勢壘有很大的變化,甚至出現(xiàn)隧穿相位時間為負的現(xiàn)象。因此,二能級冷原子物質(zhì)波穿越光場不是單純的Hartman效應(yīng),其中包含勢壘和勢阱的影響。同樣在反射中,也有負相位時間的存在。反射和透射的相位時間的正負峰對應(yīng)著反射率和透射率的趨于0,相位存在躍變的變化。

6、 3.研究二能級冷原子物質(zhì)波穿越光場的橫向位移(Goos-Hanchen位移)。為了便于觀測冷原子物質(zhì)波隧穿光場的時間,我們讓二能級原子物質(zhì)波斜入射穿越光場來研究透射波的Goos-Hanchen位移。由于原子物質(zhì)波穿越光場或者被光場反射的相位時間會出現(xiàn)很大的正值或者負值,透射波或者反射波會出現(xiàn)很大的正或者負橫向位移。另外,入射原子的橫向動量影響了有效失諧量,最后也影響與了光場區(qū)域等效勢壘的高度和等效勢阱的深度。因此總的橫向位移與原

7、子橫向入射動量有關(guān)。也就是說,即使波源垂直入射光場也會出現(xiàn)物質(zhì)波在橫向有位移的現(xiàn)象。這時冷原子物質(zhì)波的Goos-Hanchen位移和光的Goos-Hanchen位移的重要區(qū)別。 4.研究基態(tài)Zeeman分裂為兩個多能級的λ型冷原子物質(zhì)波穿越光場。為了盡可能減少激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射的影響,我們選擇基態(tài)存在多個磁子能級的原子作為入射物質(zhì)波,用兩束平板激光與入射冷原子物質(zhì)波構(gòu)成Raman隧穿過程。在此情況下,我們發(fā)現(xiàn)可以用全空間的變換把兩分