腔磁力系统中磁子和声子动力学研究
腔磁力系统是一种可以实现微波光子、磁子以及声子相互耦合的量子系统。该系统具有可调性高、损耗低以及强耦合等优点，基于此，腔磁力系统不仅可以做为研究量子信息学和量子光学的优秀平台，还可以被用来探究宏观量子现象。本工作以腔磁力系统为主要研究对象，借助腔磁力学、量子动力学方程、开放量子系统理论等手段，研究磁子和声子的动力学行为以及相应的纠缠、冷却和声子激光现象，本工作对腔磁力系统在量子信息学和量子光学中的应用有很大帮助。论文由以下六章组成: 第一章，我们介绍腔磁力系统、声子激光和基态冷却的相关理论和发展现状，并通过比较，说明了研究出发点和目的。 第二章，我们阐述研究腔磁力系统所涉及到的基础知识，包括腔磁力系统的量子化、开放量子系统理论、腔场输入-输出关系、PT对称理论、量子纠缠和量子导引的相关知识。 第三章，我们基于腔磁力系统研究了机械振子的基态冷却现象，腔磁力系统包括一个微波光腔与放置于光腔内部的铁磁材质小球，其通过磁偶极子相互作用将磁球中的磁子和微波腔中的光子耦合，磁致伸缩效应可以导致磁子和机械模式中的声子耦合。基于此，我们给出一个等效的磁子-声子相互作用模型，在实验可实现参数下，发现磁耗散可以导致声子数的大幅减少，从而使系统中机械模式被冷却到基态。从系统的哈密顿量来看，磁力冷却主要来源于磁力相互作用项。此外，我们还发现可以通过调整外加磁场强度来得到最佳的冷却效果。 第四章，我们在PT对称腔磁力系统中研究量子纠缠和量子导引现象，PT对称腔磁力系统中存在三个模式，分别是腔模式、磁模式以及机械模式，通过引入一个腔模式的增益，我们构建了一个PT对称的腔磁力系统，发现腔模式增益等效增强了光子-磁子-声子三者之间的相干耦合，使PT对称系统中的纠缠同普通腔磁力系统相比被显著增强。我们还发现PT对称性可以导致系统中出现磁子→声子模式类似单向量子导引现象。此外，我们给出了系统的稳定性条件，并借此发现在所研究参数范围下，PT对称腔磁力系统的稳态性优于普通腔磁力系统。 第五章，我们研究由微波腔、铁磁性材料小球和均匀的外偏置磁场组成的腔磁力学系统中声子激光现象，利用一个外加强驱动场有效地增强了系统中的磁力耦合效应。首先，我们发现通过驱动磁模式可以出现声子激光现象，给出了能达到声子激光阈值条件的驱动场强度;然后，我们证明了可调外加磁场可以作为声子激光器的一种控制手段，该方案相比光机械系统中的声子激光器增加了一个新的操作自由度;最后，在实验可实现参数下，我们方案中声子激光的阈值功率与光力系统中的阈值功率相接近。 第六章给出总结和未来展望。
腔磁力系统;基态冷却;量子纠缠;声子动力学;磁子-声子相互作用
大连理工大学
博士
理论物理
李崇
2021
中文
O413
2022-05-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）