混杂腔电路-光机械系统中的量子效应和非线性光学效应

该项目研究腔光机械系统中的量子相干效应和非线性光学效应特性和机理，并探讨它们在高效光信息存储和传递、可调谐单光子源、高效光缓冲器、全光计算等方面应用的新方案。具体在腔光机械系统中讨论了系统中的高阶边带效应及高阶边带产生的载波包络相位相关效应、研究了腔光机械系统耦合阵列的非对称光传输、实现了混沌在腔机械系统中的形成和操纵、发现了腔光机械系统中机械模式劈裂区的光机械诱导透明。 2100433B

微纳米量级的机械谐振子既可以与电磁微波腔（微型LC电路）耦合组成腔电机械系统，也可以与法布里-珀罗型光学腔耦合组成腔光机械系统，有关两种腔机械系统的研究已经成为量子光学、量子信息、非线性光学、腔量子电动力学等领域的前沿课题。两种腔机械系统的基本原理类似，使得微纳机械谐振子同时与电磁腔和光学腔耦合组成混杂腔电路-光机械系统成为可能。本项目将研究混杂腔电路-光机械系统中的量子相干效应和非线性光学效应，包括电磁感应透明、量子态调控、量子纠缠制备、慢光或快光传播、多波混频等，并探讨它们在光信息存储和传递、光-电信号转换和控制、高效光缓冲器、全光计算等方面应用的新方案。这种研究不仅对于光学、腔量子电动力学、量子信息、超冷物理等学科间的交叉融合具有一定的推动作用，而且为新型纳米量子器件及实用微腔器件的研发提供一定的理论依据。

量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。除此之外，纳米材料还有在此基础上的介电限域效应、表面缺陷、量子隧穿等。这些特性使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”。例如金属为导体，在低温时纳米金属微粒由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；一般PbTiO₃，BaTiO₃和SrTiO₃等是典型铁电体，但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米尺度（～5nm）时，由多畴变成单畴，于是显示极强顺磁效应；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻很小；化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子（铂黑）后，却成为活性极好的催化剂；金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色，而金属的纳米粒子光反射能力显著降低，通常可低于1%，由于小尺寸和表面效应使纳米粒子对光吸收表现极强能力；由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对光的均匀吸收性，纳米复合多层膜在7～17GHz频率的吸收峰高达14dB，在10dB水平的吸收频宽为2GHz；颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶Fe提高12倍；纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的10¹⁶至10¹⁹倍，是晶界扩散的10³倍；纳米金属Cu的比热是传统纯Cu的两倍；纳米固体Pd热膨胀提高一倍；纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料高30%；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的1/2 。2100433B

人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。来人们发现Fe－Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是，有人提出量子理想的零点震动可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向，保持有限的驰豫时间，即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应，隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。按经典理论，粒子为脱离此能量的势垒，必须从势垒的顶部越过。但由于量子力学中的量子不确定性，时间和能量为一组共轭量。在很短的时间中（即时间很确定），能量可以很不确定，从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。在诸如能级的切换，两个粒子相撞或分离的过程（如在太阳中发生的仅约1000万摄氏度的“短核聚变”）中，量子隧道效应经常发生 。