混雜腔電路-光機(jī)械系統(tǒng)中的量子效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)

該項(xiàng)目研究腔光機(jī)械系統(tǒng)中的量子相干效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)特性和機(jī)理，并探討它們?cè)诟咝Ч庑畔⒋鎯?chǔ)和傳遞、可調(diào)諧單光子源、高效光緩沖器、全光計(jì)算等方面應(yīng)用的新方案。具體在腔光機(jī)械系統(tǒng)中討論了系統(tǒng)中的高階邊帶效應(yīng)及高階邊帶產(chǎn)生的載波包絡(luò)相位相關(guān)效應(yīng)、研究了腔光機(jī)械系統(tǒng)耦合陣列的非對(duì)稱光傳輸、實(shí)現(xiàn)了混沌在腔機(jī)械系統(tǒng)中的形成和操縱、發(fā)現(xiàn)了腔光機(jī)械系統(tǒng)中機(jī)械模式劈裂區(qū)的光機(jī)械誘導(dǎo)透明。 2100433B

微納米量級(jí)的機(jī)械諧振子既可以與電磁微波腔（微型LC電路）耦合組成腔電機(jī)械系統(tǒng)，也可以與法布里-珀羅型光學(xué)腔耦合組成腔光機(jī)械系統(tǒng)，有關(guān)兩種腔機(jī)械系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為量子光學(xué)、量子信息、非線性光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的前沿課題。兩種腔機(jī)械系統(tǒng)的基本原理類似，使得微納機(jī)械諧振子同時(shí)與電磁腔和光學(xué)腔耦合組成混雜腔電路-光機(jī)械系統(tǒng)成為可能。本項(xiàng)目將研究混雜腔電路-光機(jī)械系統(tǒng)中的量子相干效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)，包括電磁感應(yīng)透明、量子態(tài)調(diào)控、量子糾纏制備、慢光或快光傳播、多波混頻等，并探討它們?cè)诠庑畔⒋鎯?chǔ)和傳遞、光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換和控制、高效光緩沖器、全光計(jì)算等方面應(yīng)用的新方案。這種研究不僅對(duì)于光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)、量子信息、超冷物理等學(xué)科間的交叉融合具有一定的推動(dòng)作用，而且為新型納米量子器件及實(shí)用微腔器件的研發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外，納米材料還有在此基礎(chǔ)上的介電限域效應(yīng)、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體，在低溫時(shí)納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)電絕緣性；一般PbTiO₃，BaTiO₃和SrTiO₃等是典型鐵電體，但當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí)就會(huì)變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米尺度（～5nm）時(shí)，由多疇變成單疇，于是顯示極強(qiáng)順磁效應(yīng)；當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時(shí)，已不具有典型共價(jià)鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，在交流電下電阻很小；化學(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子（鉑黑）后，卻成為活性極好的催化劑；金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色，而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低，通?？傻陀?%，由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米粒子對(duì)光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力；由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對(duì)光的均勻吸收性，納米復(fù)合多層膜在7～17GHz頻率的吸收峰高達(dá)14dB，在10dB水平的吸收頻寬為2GHz；顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強(qiáng)度較之多晶Fe提高12倍；納米Cu晶體自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的10¹⁶至10¹⁹倍，是晶界擴(kuò)散的10³倍；納米金屬Cu的比熱是傳統(tǒng)純Cu的兩倍；納米固體Pd熱膨脹提高一倍；納米Ag晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱交換器效率較傳統(tǒng)材料高30%；納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和磁矩是普通金屬的1/2 。2100433B

人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。來人們發(fā)現(xiàn)Fe－Ni薄膜中疇壁運(yùn)動(dòng)速度在低于某一臨界溫度時(shí)基本上與溫度無關(guān)。于是，有人提出量子理想的零點(diǎn)震動(dòng)可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)。從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向，保持有限的馳豫時(shí)間，即在絕對(duì)零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限。量子尺寸效應(yīng)，隧道效應(yīng)將會(huì)是未來電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。按經(jīng)典理論，粒子為脫離此能量的勢(shì)壘，必須從勢(shì)壘的頂部越過。但由于量子力學(xué)中的量子不確定性，時(shí)間和能量為一組共軛量。在很短的時(shí)間中（即時(shí)間很確定），能量可以很不確定，從而使一個(gè)粒子看起來像是從“隧道”中穿過了勢(shì)壘。在諸如能級(jí)的切換，兩個(gè)粒子相撞或分離的過程（如在太陽(yáng)中發(fā)生的僅約1000萬攝氏度的“短核聚變”）中，量子隧道效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生 。