光子玻色-爱因斯坦凝聚理论的研究

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyofScienceThetheoryinvestigationoftheBose-EinsteinCondensationofphotonsCandidate:ZhangJianjunMajor:OpticsSupervisor:Prof.ChengZeHuazhongUniversityofScienceandTechnologyW

2、uhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电

3、子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月华中科技大学博士学位论文I华中科技大学博士学位论文摘要玻色-爱因斯坦凝聚是玻色体系在温度小于某一临界值时大量粒子宏观地占据一个或几个量子态的现象。尽管这种类型的相变已经在包括极化激元，固态准粒子等在内的许多物理系统中

4、被观察到，但是光子的玻色-爱因斯坦凝聚现象却一直是人们长期追求但又无法实现的目标。主要困难在于，在通常由三维微腔所包裹的普朗克黑体组态中，光子是没有质量的并且光子气的化学势恒为零。因此，在这种环境下光子看起来不可能发生宏观凝聚。但是，在本文中我们却提出了一种新的物理模型。在这模型中，光子在形式上等价于一个普通的“质量”玻色子，并且具有非零的化学势。这结果暗示着光子在低温情况下也可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。在本文，我们首先从理论上对光子的玻色-爱因斯坦凝聚情况进行了调查。特别，我们研究了弱相互作用光子气的元激发情况

5、并导出了著名的Bogliubov散射关系式。在此基础上，我们也研究了光子玻色-爱因斯坦凝聚对原子衰减率和原子能级移动的影响。研究发现，当把原子放到一个与光子玻色-爱因斯坦凝聚相关的电磁环境中时，在临界温度以下原子的衰减率和能级移动都显现出温度依赖的特性。我们还提出了一种新的光子-光子对耦合模型。在这模型中，光子-光子对混合气体存在两种可能的凝聚相：纯粹的光子对凝聚相和光子-光子对混合凝聚相。运用变分方法，我们也调查了混合气体在基态的量子相变情况，并获得了系统的临界相变线。特别，我们也发现光子-光子对混合气体的量子

6、相变本质上可以看作是一种增强的二次谐波产生。我们也调查了系统基态和第一激发态的能隙情况。通过对激发谱的分析，我们还进一步描述了光子-光子对的超流行为与系统量子相变的关系。调查发现对于光子-光子对混合气体，在混合凝聚相系统存在三种可能的超流态。特别提到的是，在混合凝聚相，系统的超流本质上是一种准超流态。我们也调查了光子-光子对的量子纠缠情况，以及纠缠与相变的关系。关键词：玻色-爱因斯坦凝聚，衰减率，光子对，量子相变，超流，量子纠缠II华中科技大学博士学位论文AbstractBose-EinsteinCondensa

7、tion(BEC)isaphenomenonofmacroscopicoccupationinoneorseveralquantumstatesbyalargenumberofidenticalbosonswhenthetemperatureofsystemisbelowtoacriticaltemperature.AlthoughBEC-likephasetransitionhasbeenobservedinseveralphysicalsystems,includingexcitonpolaritions,s

8、olidquasiparticlesandsoon,BECofphotonshasbeenalongsought,butelusivegoal.ThedifficultyisthatintheusualPlanckblackbodyconfiguration,whichconsistsofanemptythree-dimensionalcavity,thephotonis