物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。受激原子经受自发光子发射的衰变转换成波动的量子-电动真空是开放量子系统动力学的一个标志性例子。最近实验已经证实了周期结构中的间隙光子色散可以防止某些频率范围内的光子传播，可以产生不寻常的自发衰变行为，包括耗散束缚态的形成。到目前为止，这些影响仅限于光学领域。近日，纽约州立大学石溪分校的研究人员证明了在人工辐射源系统中的类似行为，使用光学晶格中的超冷原子通过向自由空间发射物质波而不是光学辐射产生衰变而实现。相关内容以《Spontaneous emission of matter waves from a tunable open quantum system》为题，发表在《Nature》上。

图1 物质波发射器的实现架构  a，实验配置。嵌入单模物质波导中的光学晶格占据的位置充当单个原子的发射极; 相邻的空格子位置充当吸收器。 b发射机理。 c 填充（空）势阱可以看作物质波发射器的激发态|e?（基态|g?）

Weisskopf-Wigner自发辐射模型是量子光学的核心概念，描述了受激原子由于耦合到电磁真空的零点振荡如何衰变到其基态。在通常的马尔可夫公式中，该模型假设衰变在比光学周期慢得多的时间尺度上进行，这导致激发态振幅的无记忆指数衰减和跃迁频率的Lamb偏移。对于自由空间发射，近似马尔可夫一般都达到了很高精度。

图2 马尔科夫机制

人们在20世纪40年代就意识到对真空模式密度的修改可以改变自发衰变的特征，几十年后，在腔量子电动力学的发展过程中，当光谱被限制在单一模式时，衰变可以改变到相干真空Rabi振荡的极值点。在这两个极限之间存在具有有界连续谱的真空状态，其中在边界附近发生自发衰变行为的强修饰。一个例子是光子晶体（也称为光子带隙材料），其中折射率的周期性空间调制产生有间隙的色散关系。对于接近带隙的发射会出现新的特征，马尔可夫近似不再适用，包括能带边缘上方能量的振荡衰减动力学以及其下方原子-光子束缚态的形成。在过去的二十年中，光子带隙材料中的自发发射实验已经观察到了一些这些影响，特别是改变了自发发射率和Lamp位移以及非指数衰变的光谱特征。在一维光子带隙材料中实现发射的原子-光学模拟，其中在连续体边缘附近的模式密度的奇点引起与马尔可夫行为的特别大的偏差。

图3 非马尔可夫动力学和束缚态形成

文章中作者的大部分工作都集中在由Weisskopf-Wigne系统的可调性引起的基本属性上，包括在模式连续体边缘下方形成束缚态。这在单发射极水平上可与光子晶体带隙附近原子衰变直接类比。通过控制真空耦合和激励能量，作者直接观察到指数型和部分可逆的非马尔可夫动力学，并检测包含倏逝物质波的可调束缚态。这种系统为模拟开放系统量子电动力学和用超冷原子研究耗散的多体物理提供了一个灵活的平台。

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。