【摘 要】
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光-原子耦合系统是量子光学领域中的一个重要研究对象,在量子通信、量子计算、量子精密测量等量子技术的发展中起到了非常关键的作用。伴随着激光的出现,人们更加关注光-原子耦合系统中由激光诱导的原子相干性。它会导致不同原子能级之间的量子干涉,从而产生电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）,表现为原子共振频率处强烈的吸收抑制和陡峭的正常色散。
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光-原子耦合系统是量子光学领域中的一个重要研究对象,在量子通信、量子计算、量子精密测量等量子技术的发展中起到了非常关键的作用。伴随着激光的出现,人们更加关注光-原子耦合系统中由激光诱导的原子相干性。它会导致不同原子能级之间的量子干涉,从而产生电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）,表现为原子共振频率处强烈的吸收抑制和陡峭的正常色散。这些特性使得EIT介质在量子存储、量子模拟、全光光学器件等领域具有重要的应用价值。近年来,由于EIT介质可以被外场灵活地操控,EIT介质被用来实现了对很多凝聚态物理现象的模拟,比如拓扑相变、边缘电流等。特别是,EIT系统中超辐射晶格的提出,为在热原子中研究量子多体问题开辟了新的研究途径。本论文首先介绍了光-原子耦合系统中由原子相干效应导致的一些典型现象和特性,例如,EIT、光子晶体特性、超辐射晶格等。随后,研究了三能级原子系统中退相位对量子干涉和EIT的操控作用,并在不同类型的能级结构中进行了相关的实验验证。最后,基于EIT诱导的超辐射晶格,在室温下的铯原子汽室中实现了手性边缘电流的制备。具体内容如下:1)利用Akaike信息准则研究了耦合光强度和退相位对量子干涉和Autler-Townes分裂（ATS）这两种效应相对权重的影响。在EIT系统中,探针光在共振处的吸收减弱一般是由量子干涉和ATS两种效应共同引起的。由于量子干涉效应会引起介质性质的显著改变,在量子技术的发展中具有重要的作用;同时,ATS效应也由于其较宽的透明窗口被应用到高分辨率光谱学和光子的高速宽带存储等方面,因此区分量子干涉和ATS效应具有重要的意义。EIT系统中影响这两种效应强弱的两个重要因素是耦合光强度和退相位率。其中退相位的主要来源是原子碰撞和光场的相位起伏及其关联。我们利用乘法随机过程理论研究了这些退相位机制。然后利用谱分解法实现了对探针光吸收谱的分解,并给出了对应于量子干涉效应和ATS效应的吸收谱的近似数学模型。利用Akaike信息准则定量计算了不同耦合光功率和不同退相位率情况下的两种效应分别所占权重。特别发现,当光场相位起伏具有正关联时,相消量子干涉（即EIT）会被增强。这一控制量子干涉的方法,为灵活调节原子介质的性质提供了新的可能途径。2)研究了四种三能级原子系统中退相位对量子干涉的操控作用,并实验验证了相应的理论结论。在缀饰态表象中,这四种系统可以被归类为EIT型和ATS型两种类型的能级系统。首先分别得到了两种类型能级系统中缀饰态相干性的动力学演化方程,发现了一个描述量子干涉强度和类型的因子,而且该因子是由自发辐射率和退相位率决定的。然后,通过将探针光的吸收谱分解为量子干涉项和ATS项,详细研究了原子退相位对量子干涉的影响。最后,在实验上测量了不同退相位率（不同量子干涉强度和类型）情况下探针光吸收谱,实验结果和理论基本符合。3)理论分析了原子系统中超辐射晶格的制备和边缘电流的产生原理及可行性,并且实验上在室温下的铯原子汽室中成功观测到了手性边缘态。首先对Λ型EIT原子系统作用一束微弱的探针场,系统被激发到超辐射态;然后同时作用两个相互有一定频率差的驻波场,原子系统被制备成为动量空间中的“之”字形超辐射晶格。两个驻波之间有一个相对相位φ（即两驻波波节的相对位置）,因此在经历晶格中一个闭合的三角形回路跃迁后系统会积累一个相同相位（φ）或者互补相位（π-φ）,从而在每个三角形晶格内部产生等效的磁通,并且磁通量由相位决定。该磁通会引起超辐射晶格产生边缘电流,电流的大小与该位置上编时Dicke态的布居数成正比。实验上,在铯原子系统中选择合适的超精细能级,巧妙地设计实验方案使两个驻波耦合场完美重合,同时不会因非简并四波混频信号干扰测量结果。扫描两驻波的相对相位,发现原子汽室两侧的反射率周期性变化,验证了手性边缘电流的形成。其中创新性工作如下:Ⅰ.利用Akaike信息准则定量地研究了Λ型EIT系统中光场相位起伏和关联诱导的退相位对量子干涉的影响,提出了增强量子干涉的新方法。Ⅱ.分别在理论和实验上研究了退相位对四种三能级原子系统中相干性的影响,实现了量子干涉的精确可控调节。Ⅲ.在热原子系统中合成动量空间“之”字形超辐射晶格,并且模拟了拓扑边缘态的产生。与传统的冷原子中的光学晶格相比,我们的方案大大地降低了原子系统中获得手性边缘电流的实验难度。
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