扭动光力学

光力学是近年来兴起的一个研究方向,它研究光与力学振子的相互作用,在精密测量,量子物理的基本问题,比如经典与量子的边界问题上有很重要的应用。最近,人们对利用光力学制备宏观机械振子的量子叠加态有很浓厚的兴趣,这可以帮助我们研究引力导致的波函数塌缩,乃至生命体的量子叠加态。对于振子的质心平动自由度来说,已经有很多实验实现了量子叠加态的制备与观测。而宏观机械振子的转动或扭动自由度与光的相互作用,还很少见到实验和理论的研究。

最近美国普渡大学李统藏教授组做了一个实验,在光束缚纳米金刚石系统中观察到了扭动自由度的运动。我们作为理论合作者,研究了用光学腔对这个模式进行边带冷却的效率与极限,以及基态冷却的条件,并估算了扭动模式的衰减速率。我们共同撰写了一篇实验结合理论分析的论文,这篇论文在最新的一期《物理评论快报》上发表,入选编辑推荐论文,并被《Physics》作为亮点报道了。

李统藏组在实验中发现,光束缚的纳米金刚石系统的声子谱中,除了100kHz附近的一个尖峰信号(对应于平动自由度)外,在1 MHz附近还有一个尖峰信号。为了解释这个尖峰,他们又做了一系列的实验。比如说改变气压,他们发现不同气压下,这个尖峰的频率基本不变。由于转动的频率与空气的阻尼有关系,因此尖峰频率与气压不变的特性基本排除了转动这个可能性。他们又改变了光束缚的功率,发现这个尖峰的频率与功率的平方根成正比,同时平动自由度的共振频率与这个未知信号的频率之比是不变的。这正好与理论上算出的扭动模式频率与束缚激光功率之间的关系一致。不仅如此,他们还测量了两个相互垂直的平动模式的衰减率,发现它们是不相等的。如果纳米金刚石一直在旋转的话,相互垂直的平动模的衰减率肯定是相等的。因此可以断定,这个未知的尖峰信号就是来自扭动模式。

同一个光势阱中,扭动模比平动模的频率通常要大一个量级。理论上分析发现,只要纳米粒子不是球对称的,扭动的频率就会与平动的频率解除兼并。如果我们用椭球来进行理论建模,会发现当长轴比短轴长一倍时,扭动与平动模频率的比值最大,可以达到近三十倍。我们把光力学中边带冷却的方案应用到这个系统中,提出用光学腔模与扭动模式耦合起来,进而冷却扭动模大量子基态附近。通过理论计算,我们发现,由于扭动模的衰减率跟平动模式的衰减差不多,且扭动模与腔模单声子耦合强度和平动模与腔模耦合差不多,因此冷却扭动模式到量子基态应该会更加容易。

在光力学的研究中,到目前为止,几乎所有的实验都只涉及到平动模式与光场的耦合,只有极少数几个实验看到了转动模。而通过实验直接看到扭动模与光场耦合的,据我们所知,这是第一个实验。特别要指出的是,这个实验没有什么特殊的设计,只需要用线偏振的激光抓住非球形的纳米介电颗粒即可。在线偏振的光势阱中,纳米粒子的长轴将会自发地指向线偏振的方向,并会在这个方向附近扭动。我们相信这个发现对未来研究宏观系统的量子叠加态,以及对测量单个电子甚至原子核自旋带来的微小扭矩都有重要的价值。

我的学生马越是这篇论文的第二作者,对这个工作的理论部分做出了重要贡献。马越是清华大学物理系基科班的本科生,从大二开始一直跟我做科研训练。大四下学期刚开始,当她进行本科毕业论文选题时,正好李统藏教授告诉我,他们在实验上看到了扭动模,希望大家一起合作进行理论分析。于是我就建议马越把这作为她的本科毕业论文的题目。她的进度远远超出了我们的预计,做了一个多月就把理论分析给算完了,这也就成了她毕业论文的一部分。

投稿后,三位审稿人一致认为这个工作非常重要。二十多年前,人们在强激光脉冲光场中的分子系统中看到了类似扭动态,并实现了对它的操控。我们的这个实验在远大于分子的纳米金刚石系统中看到了类似的现象。目前观察到的还是经典扭动,未来如果能在这个系统看到量子化的扭动态,那就跟小分子的摆动态更加像了。

物理学的理论研究有两类,一类是预言新的实验现象,一类是解释新的实验现象。我们做的这个工作是典型的解释实验的理论,这也是我第一次参与这种类型的研究。我从事的量子信息的理论研究,大部分是预言新的实验,设计新的方案。这次我能有机会直接接触到新的实验数据,并用物理模型进行分析与解释,进而设计新的理论方案,实在是难得的经历。

大四的后半学期,马越也没有闲着,她又完成了一个相关的理论工作。总结一下,马越同学在大四这一年,完成了三个高质量的工作,这个效率已经与高年级的优秀博士生差不多了。马越即将毕业,将会去英国帝国理工念量子光学与量子信息。我相信未来她还会做出更多更好的工作。

到此为止,跟我做科研训练的四位毕业生,孔令航,马越,徐达和徐启东,我都写文章记录了与他们合作的经历和论文的情况。我把相关的文章链接放在这里

今天是清华大学本科生的毕业典礼。匆匆写完这篇文章,算是对我与学生们的合作有了一个交代。今年是我带的第一批本科生毕业了,过去这几年与学生们合作经历给我非常美好的回忆,值得记录。

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