Критические явления в системе связанных атомно-оптических состояний в условиях оптических столкновений

• Автор: Честнов, Игорь Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 115 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Оптические столкновения в плотных атомных средах и критические явления в
атомно-оптических системах. Обзор литературы
1.1. Оптические столкновения. Методы описания
1.2. Связанные атомно-оптические состояния и фазовые переходы в атомно-оптических системах. Теоретические подходы и экспериментальные результаты
1.3. Выводы к главе 1
Глава 2. Термализация одетых атомно-оптических состояний в присутствии ОС
2.1. Теория взаимодействия двухуровневых атомов с квантованным оптическим полем в присутствии столкновительных процессов с атомами буферного газа
2.1.1. Уравнение Лиувилля для матрицы плотности атомно-оптической системы
2.1.2. Основные приближения и численные оценки
2.2. Уравнения Блоха в базисе одетых состояний
2.3. Термализация связанных атомно-оптических состояний
2.4. Поведение спектральных компонент триплета Моллоу при термализации
2.5. Экспериментальное наблюдение термодинамического равновесия связанных атомнооптических состояний
2.6. Выводы к главе
Глава 3. Равновесные фазовые переходы и бозе-эйнштейновская конденсация поляритонов в
системе связанных атомно-оптических состояний
3.1. Термодинамическое описание атомно-оптической системы в присутствии ОС
3.2. Равновесный фазовый переход в «сверхизлучательное» состояние в связанной атомнооптической системе
3.3. Физика формирования атомных поляритонов в резонаторах с цилиндрической симметрией
3.4. Биконический волновод для пленения фотонов
3.5. Бозе-эйнштейновская конденсация поляритонов в резонаторе
3.5.1. Описание атомно-оптического взаимодействия в поляритонном базисе
3.5.2. Критические свойства атомных поляритонов в ловушке
3.6. Свойства поляритонного БЭК при V =
3.7. Выводы к главе
Глава 4. Неравновесные фазовые переходы в системе одетых атомно-оптических состояний
в условиях ОС
4.1. Квантовая электродинамика атомных одетых состояний в резонаторе
4.1.1. Гамильтониан атомно-оптического взаимодействия и методы описания
4.1.2. Когерентные эффекты в системе одетых состояний в присутствии ОС
4.2. Лазерная генерация на одетых состояниях
4.3. Выводы к главе
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
Актуальность работы
В последние десятилетия большинство исследований в области лазерной физики, физики конденсированного состояния, квантовой и атомной оптики стимулируются перспективой создания устройств, обладающих принципиально новыми физическими свойствами. В их число входят и низкопороговые источники лазерного излучения, и источники низкоинтенсивного, неклассического света, и новые среды для квантовой оптической обработки информации. Одним из перспективных подходов к решению связанных с этим задач является использование когерентных свойств связанных состояний среды (ансамбля атомов или полупроводниковой структуры) и поля, примером которых могут выступать поляритоны — бозонные квазичастицы, представляющие собой линейную суперпозицию фотонов и элементарных возбуждений в двухуровневой системе, — а таюке одетые материально-оптические состояния. При этом особое внимание уделяется изучению макроскопических когерентных свойств подобных систем и физике критических явлений — фазовых переходов в подобных системах, таких как бозе-эйнштейновской конденсация (БЭК) и переход к сверхтекучему состоянию.
Рассматриваемое направление является естественным продолжением современных фундаментальных исследований по лазерной физике, физике конденсированного состояния в атомных системах, для которых были подробно изучены явление БЭК и другие фазовые переходы. Несмотря на то, что атомный конденсат уже получен в разных лабораториях мира, экстремально низкие температуры конденсации (вплоть до десятков нК) существенным образом ограничивают возможность применения этого эффекта в практических целях. Этим и объясняется интерес к изучению высокотемпературных фазовых переходов, которые могут иметь место при взаимодействии среды с лазерным излучением. К настоящему моменту значительные успехи в этой области достигнуты в полупроводниковых микрорезонаторах с экситонными поляритонами, В частности, было показано макроскопическое заселение нижней поляритонной ветви в структурах на основе Сб/Те/СсПУ^Те при температуре порядка 5 К — см. [1].
При описании фазовых переходов в подобных системах необходимо учитывать их неравновесную (или квазиравновесную) природу, обусловленную значительной ролью диссипативных эффектов. По этой причине обязательным условием обнаружения равновесного БЭК и сверхтекучих свойств связанных состояний вещества и поля является достижение термодинамического

ГЛАВА
ТЕРМАЛИЗАЦИЯ ОДЕТЫХ АТОМНО-ОПТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ
В ПРИСУТСТВИИ ОС
2Л. Теория взаимодействия двухуровневых атомов с квантованным оптическим полем в присутствии столкновительных процессов с атомами буферного газа
2.1.1. Уравнение Лиувилля для матрицы плотности атомно-оптической системы
Рассмотрим процесс ОС, схематически описываемый выражением (1.2). В первой главе была обоснована возможность термализации связанных атомно-оптических состояний за счет ОС. Целью данного раздела является теоретическое и экспериментальное исследование термализации связанных атомно-оптических состояний, учитывающее влияние спонтанной эмиссии, а также определение условий ее достижения. Представленное ниже описание базируется на подходе, изложенном в работе [46] .В качестве связанных состояний используются одетые атомнооптические состояния. Подход основывается на использовании формализма матрицы плотности. Основное уравнение, учитывающее ОС и релаксационные процессы спонтанной эмиссии, представляет собой уравнение Лиувилля для матрицы плотности а с Линдбладовскими релаксационными слагаемыми:
где слагаемое {^}гаЛ описывает влияние спонтанной релаксации на поведение системы, а член {ж)со11 отвечает за столкновительные процессы.
Гамильтониан Я в (2.1) представляет собой полный гамильтониан системы двухуровневого атома и электромагнитного поля. Он может быть представлен в виде
Здесь На — гамильтониан изолированного атома, Я/, — гамильтониан поля, Val — гамильтониан взаимодействия атома с лазерным излучением. В свою очередь, гамильтониан лазерного поля представлен в форме вторичного квантования: HL = f + |), где l>l — частота лазерного
поля, р и / — операторы рождения и уничтожения фотонов.
Гамильтониан двухуровневого атома представлен в виде На = ЬыьЬ)(Ь + fiwa|a)(a|, где tiij), и huja — энергии собственных состояний атома с верхним уровнем b и нижним уровнем а,
(2.1)
H = НА+ HL + Val-
(2.2)