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[博士论文] 张大地
物理化学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:本论文专注于消除密度泛函理论中交换相关近似泛函的离域化误差,以提高分子和固体能隙的计算精度。占据与非占据轨道之间的能级(能带)间隙,是分子(固体)的基本物理性质,对分子(固体)体系其他性质的研究和应用至关重要。密度泛函方法在计算精度和计算效率上具有良好的平衡性,已广泛应用于预测体系的各种理化性质。密度泛函理论本身是严格的,但由于密度泛函近似有离域化误差,使得能隙的计算精度往往不高。论文阐述了非经验性标度修正方法的发展,以及如何系统性缓解离域化误差。考虑轨道弛豫后的Kohn-Sham前线轨道能可以大幅提高电离电势、电子亲和势和分子能隙的计算精度。论文也阐述了数值计算的程序实现。该方法对体系的电负性、化学硬度、反应性等研究有重要意义。论文还论述了周期性固体的局域轨道标度修正方法,该方法可以大幅提高各种固体的带隙计算精度,包括金属、半导体、过度金属氧化物、离子晶体、惰性气体晶体和有机聚合物链。除此之外程序的数值计算也十分高效。
  本论文具体内容安排如下.
  第一章首先简要介绍了密度泛函理论基础,本论文的研究内容均基于密度泛函理论。之后介绍了近似泛函的离域化误差,是当前密度泛函理论面临的主要问题之一。最后详细介绍了减轻离域化误差的标度修正方法,是后续章节理论研究的基础。
  第二章论述了非经验全局标度修正方法的发展,探索了密度泛函理论中轨道弛豫对Kohn-Sham前线轨道能的影响。轨道弛豫信息可被用来提高Hartree-Fock、局域密度近似、广义梯度近似方法计算的Kohn-Sham前线轨道能计算精度。数值结果明确展示了考虑轨道弛豫效应的重要性。除此之外,标度修正方法提供了直接计算N电子体系导数能隙和Fukui函数的方法(N是整数),而不需要对相应的(N±1)电子体系进行自洽场计算。
  第三章的结果表明了标度修正后的Kohn-Sham轨道能可以用作分子电子亲和势的精确预测。实际上使用密度泛函理论方法很难精确预测分子的电子亲和势,计算的电子亲和势中大部分的误差源自近似交换相关泛函内在的离域化误差。在这项工作中,电子亲和势由标度修正后的中性分子Kohn-Sham前线轨道能获得,计算精度得到了系统性提高,而且不需要对负离子进行自洽场计算。
  第四章阐述了如何将局域轨道标度修正方法扩展至周期性固体。第一章介绍的局域轨道标度修正方法可以普遍缓解有限体系的离域化误差。通过使用万尼尔函数来表征局域分数电子分布,这项工作扩展了局域轨道标度修正方法使其可应用于周期性固体中。固体版本局域轨道标度修正方法可以提高各种固体系统基础能隙的计算精度,包括零带隙金属至宽带隙绝缘体。该方法在固态材料的理论研究中十分有前景。
[博士论文] 潘志君
物理化学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:本论文总共由七章组成,前四章为多方面的基础知识和计算技巧来为理论模拟光谱做铺垫。第一章简要的介绍了离子水溶液的理论发展及其重要的研究前景,低频振动光谱的特殊性和其应用于离子水溶液的意义。第二章里介绍了分子动力学及其统计力学的基础;第三章浅涉量子动力学而其一个应用领域即为第四章的非线性光谱学。
  第二章的分子动力学模拟基于经典力学运动方程和分子力学模型,结合平衡态统计力学原理,适用于大分子及相对长时间尺度的绝热过程。本章对分子动力学的基本要素如经验力场、动力学方程和模拟技巧进行概述。分子动力学精确度虽然不及量子化学重头算法,但其统计力学的意义是明确的。分子动力学模拟在目前计算机性能不断提升的背景下,不仅能解释实验现象,而且将发挥指导实验研究的关键作用。
  由于量子动力学涉猎的范围广,从量子光学、固体物理到数学物理学等众多科学研究,第三章仅仅介绍了有关刘维尔空间的动力学基础以及相关函数的概念。然后,列举了一维红外光谱作为量子动力学应用例子来说明量子动力学与相关函数。第四章简要的介绍了非线性光谱学的现象和原理。结合量子动力学计算,能得到强激光场下物质的极化强度P具有非线性的特征分量P(n),其系数定义为非线性极化率。当假设作用的光束为脉冲时,非线性极化率与对应的高阶的光谱响应函数成正比。而响应函数的项目众多,所以可以画出费曼图或刘维尔空间路径来区分它们。另外,作为非微扰方法的相位匹配运动方程能大大简化光谱计算。
  后三章为一系列离子水溶液的低频一维、二维振动光谱的理论模拟和分析。第五章结合不同的低频光谱通常能更明确地揭示溶液动力学机制.由于OKE与DRS分别测量平动和转动,这种现象认为反映平动与转动耦合分离的玻璃态特性.我们的理论模拟很好地复现实验的浓度依赖性,进一步的分析表明,弛豫时间的浓度依赖差异性反映了阳离子水合壳层内外的水动力学差异,而非平动转动分离本文模拟硫酸镁的GHz介电弛豫光谱,其拟合的峰与实验大致吻合。下一步就是如何分析这大量的轨迹群来挖掘低频的肩膀峰(大约0.5GHz)处的微观起源。
  第六章接着采用稳定性矩阵方法模拟了不同离子水溶液的二维拉曼-太赫兹光谱。稳定性矩阵方法基于平衡态统计力学原理,包含了相空间的许多信息。由于分子力场为非极化模型,为了考虑离子的极化效应,我们引入了偶极诱导偶极机制来计算分子动力学所得轨迹的总偶极和总极化率。低频光谱需要的时域信息跨度比较长,使得信号收敛所需的采样点远远地超过普通的光谱。低频的水溶液光谱反映离域的分子间自由度运动模式,而且常温的热扰动就能激发到振动态。所以离子水溶液的低频光谱非常容易受到环境涨落耗散的影响。
  第七章以布朗振子(B O)模型,使用耗散子运动方程(DEOM)能够定性地模拟出纯水的二维拉曼-太赫兹光谱的各个不同时间序列(RTT,TRT,TTR)。我们把水的氢键弯曲60 cm-1,氢键伸缩200 cm-1,分子摆动600 cm-1模式综合起来作为体系,而将其他快速的局域振动分离出来,当作环境的热库涨落。我们把水的三个低频的集体运动划分为两种,一种具有很强的偶极矩和环境扰动,相对的频率较高;另一种具有一定的中心对称性,不容易受到扰动而破坏掉。前者主要为水分子的摆动,而后者归属为氢键网络的集体运动。
  结论和展望:分子动力学模拟光谱目前使用离子非极化模型是为了能够与现有的非极化水模型匹配。随着最近新的极化力场水模型(如POLIR,POLI2VS,TTM3-F)被广泛采用,必将出现与之配套离子非极化模型,把极化效应实时引入到分子动力学模拟。对于极低频率的GHz光谱,发展大规模轨迹的构象分析技术来归属低频率峰所对应的动力学。二维拉曼-太赫兹光谱的理论模拟和实验结果目前未达到吻合的程度。而且时域绝对收敛目前仍然困难,这些问题可以参考Wolfgang Domcke提出的非微扰光谱模拟方法来克服。最后,发展针对多模式BO模型高效率运算方法提高DEOM模拟二维拉曼-太赫兹光谱的精准度。
[博士论文] 吴凡
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:超冷费米气体中的奇异配对态一直是超冷原子领域研究的一大热点。费米气体的配对态这一概念,最早来源于BCS理论中提出的BCS配对态。而随着1982年,费曼提出了量子模拟的概念,2001年Kitaev提出了Kitaev模型,构造有趣的非常规配对态成为了费米子研究领域的新的前沿。通过对这些奇异配对态的研究,我们可以构造出有趣的准粒子态,从而帮助我们实现量子计算以及对于复杂物理现象的量子模拟。
  在超冷原子体系中,人们已经实现了Feshbach共振、可控晶格系统、人工规范场等多种调控体系参量的实验手段。其中,Feshbach共振实现,使得在超冷原子体系中对于强关联体系进行研究的成为可能。可控晶格系统实现,代表着我们可以利用冷原子物理模拟凝聚态物理中的多种晶格体系和准低维体系。而人工规范场,包括自旋轨道耦合,人工电磁场等的实现,代表着我们对体系中原子的单粒子色散谱进行调控成为可能。综上所述,超冷原子物理已经成为了研究费米气体中奇异配对态的一个理想平台。
  在本论文集中讨论了超冷费米气体在自旋轨道耦合作用下的特性及奇异配对态。我们将基于超冷原子物理中典型的实验手段,对费米气体中的奇异配对相进行研究。文中采用的数值模拟方法为平均场理论和broken symmetry phase理论,具体的研究工作如下:
  1、含有自旋轨道耦合的准二维相互作用极化费米气体的等效模型
  2011年,美国国家标准与技术研究院的I.B.Spielman组在87Rb中实现了一维自旋轨道耦合,这使得在超冷原子中,实现付亮于2008年提出的拓扑超流态的实验方案成为可能。因此,我们对这个方案中的抽象模型——含有自旋轨道耦合的准二维相互作用费米气体——进行系统的研究。通过对体系的两体问题的分析,我们发现随着系统的两体束缚能变得可以和体系的轴向束缚能可比较甚至超过的时候,体系将会在轴向高态上出现宏观占据。而自旋轨道耦合强度的提高,也会使得体系的两体束缚能提高。这意味着,对于有限自旋轨道耦合强度的情况,准二维体系中的轴向维度的高态占据是不可忽略的。基于这个理解,我们提出了一个双通道形式的等效二维模型。我们将轴向激发态的费米子和体系中的Feshbach分子等效为闭通道中的缀饰分子。通过适当的重整化等效模型中的原子和缀饰分子的相互作用,我们可以运用这个等效模型进行多体数值模拟。通过和单通道等效模型的数值模拟结果相比较,我们发现,即使在宽共振情况下,等效双通道模型相对于单通道模型,在势阱中的相结构和密度分布都出现了明显的变化。特别的,我们发现体系中的拓扑超流的稳定区间出现了明显的扩大。同时,我们也讨论了实验上可以观测到缀饰分子效应的参数区间。
  2、含有自旋轨道耦合的超冷费米气体中的BCS-BEC渡越和量子相变
  在这个工作中,我们研究了在Feshbaeh共振中含有自旋轨道耦合的双通道超冷费米子模型。通过数值模拟,我们发现,在含有有限自旋轨道耦合的条件下,不论是对于两体还是多体的情况下,双通道模型都会得到两支解。这和单通道模型得到的结果有着定性的区别。这说明,在有自旋轨道耦合参与的情况下,我们需要使用双通道模型。我们还发现,在考虑了自旋轨道耦合后,在任何参数下,都能在上分支中观察到量子相变这一有趣的物理现象。这和没有自旋轨道耦合的情况也有着定性的不同。同时上分支中的量子相变点,可以通过改变自旋轨道耦合强度或者Feshbach共振的共振宽度进行调节,我们可以将相变点调节到Feshbach共振点附近,这使得在实验室中观测到上分支中的量子相变现象成为可能。
  3、含有各向异性自旋轨道耦合和Zeeman场的费米气体中的非常规FFLO配对态
  在许多有趣的物理现象中,自旋轨道耦合都扮演着一个重要的角色。在超冷原子物理中,最早实现的自旋轨道耦合是ERD形式的自旋轨道耦合。对于这种自旋轨道耦合的实现模型,体系中包含了轴向和横向Zeeman场,同时实现的自旋轨道耦合是各向异性的,因此对于该模型中的配对态的研究,我们需要考虑质心动量不为零的情况。我们对系统中的热力学量的进行展开研究,证实了体系中FF态的稳定性。通过对这些FF态的分析讨论,我们发现一种新的FF态配对机制。我们还对体系的多体相图进行了数值模拟,发现有效塞曼场与各向异性的自旋轨道耦合之间的竞争会导致体系出现复杂的相结构。根据这些FF态的无能隙激发轮廓,我们对其进行区分和讨论。这些FFLO态的特殊色散谱和对应的无能隙激发轮廓可以作为实验上对这种非常规FFLO态的探测信号。同时,丰富的一阶相变相边界,也使得通过势阱中的粒子数密度分布探测相图中的相边界成为可能。
  4、在含有自旋轨道耦合的二维费米气体中的三组分FF态
  最近,在费米-费米混合气体中,一种新的FF配对机制被发现:一个两组份含有自旋轨道耦合的无相互作用费米气体,选择性的和第三组份的费米气体相互作用,在这种机制下体系会出现FF配对态。我们对这种配对机制进行拓展,对含有选择性的相互作用和自旋轨道耦合的三组份费米气体的配对态进行研究。我们发现,自旋轨道耦合诱导非对称动量分布与自旋选择的相互作用共同影响下,会形成一个新的三分量FF配对态。其中,三组份的费米子两两配对形成FF态,并具有一个共同的质心动量。我们还对体系的零温相图进行数值模拟,计算准粒子(空穴)的色散谱,不同FF态的无能隙激发轮廓和在动量空间的粒子数密度分布。并且还讨论了在实验上可行的,对于这些有趣的配对现象的观测方案。
  5、s波和p波相互作用共存下的费米超流态在有限温情况下的特性
  s波和p波由于其对称性的不同具有不同的配对性质。实验上,在40K原子的Feshbach共振中,人们找到了s波和p波相互作用共存区域。在这个工作中,我们关心这种状态下体系的有限温性质。利用broken symmetry phase理论,我们推导了体系在有限温情况下的自洽方程组,并且利用方程组进行数值模拟。我们得到了体系的转变温度变化曲线。我们发现,s波和p波配对的竞争使得体系出现了许多有趣的性质,如转变温度的非单调变化等。通过对转变温度下体系的状态的分析,我们发现,这些性质是由于s波和p波配对的直接竞争和高阶关联共同作用产生的。这里的高阶关联,体现在极化率固定的情况下,等效纵向磁场对于不同的s波和p波相互作用强度会自洽出不同的磁场强度。这些有趣的现象,可以从对于体系两种配对态转变温度的测量中看到。
[硕士论文] 梅小寻
原子分子物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:作为原子分子物理学的基本问题之一,原子分子的能级结构及其动力学问题的研究受到实验精确度的制约。幸运的是,近年以来,关键的原子分子实验技术,例如高分辨电子能谱技术、激光光谱技术、同步辐射技术和粒子探测技术等方法的精确度不断提高,以及多种理论和计算方法及相应的大容量超高速度计算机的快速发展,使得相关实验的精确度及计算准确度有大幅提高。本论文利用已有的原子分子基态信息,例如光谱方法确定的精确能级及理论计算的Franck-Condon因子,或由商用量化软件计算获得的基态波函数,对原子分子的散射强度分布、形状因子平方和康普顿轮廓进行了拟合和理论计算研究,并与其他实验和理论结果进行了对比验证,具体内容如下:
  1.介绍了一种基于Monte Carlo随机游走模型实现的拟合方法,该方法充分利用已有的双原子分子激发知识,大幅度减少了拟合过程中的待定参数个数,同时采用Monte Carlo随机游走模型实现了全领域方差极小值的寻找。这些改进极大地提高了拟合速度,给出了可信的能峰强度信息。作为验证,使用基于该拟合方法编写的MATLAB程序处理了氢分子的光学振子强度谱,所得氢分子不同电子态的振动跃迁截面信息与其他工作的理论及实验结果符合较好,验证了此拟合方法的可信度;
  2.利用商用Gaussian03软件获得了原子分子的基态波函数信息,并用于形状因子平方和康普顿轮廓的理论计算。作为验证,使用自行编写的Mathematica程序计算了He原子和C2H2分子的形状因子平方以及丙烷分子的康普顿轮廓,所得形状因子平方结果与其他工作的理论及实验结果符合较好,丙烷分子的康普顿轮廓与实验结果偏差不超过1%,验证了计算方法和程序的可信度。
[博士论文] 鲍善霞
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:里德堡原子是主量子数n>>1的高激发态原子,具有轨道半径大(~n2),辐射寿命长(~n3),偶极相互作用强(~n2),极化率大(~n7)等奇异的特性,因此一直受到广泛的关注。利用里德堡原子间强偶极-偶极相互作用所产生的偶极阻塞效应,人们成功实现了可控量子逻辑门的操作,使得其成为研究量子信息和量子计算机的一种理想备选介质。同时里德堡原子轨道半径非常大,对外层电子的束缚能随着主量子数n的增加而减小(~n-2),因此极易受到外场(电场,磁场,微波场)的干扰。把里德堡原子对外场的敏感性与量子相干效应相结合,将产生新的量子干涉现象,例如近年来引起人们广泛关注的阶梯型里德堡原子电磁诱导透明(EIT)效应。通过研究射频电场,磁场以及微波场等外场对EIT光谱的影响,进而可以了解里德堡原子的内部结构以及原子与外场相互作用的详细信息,也可用于微弱电磁场以及微波场的有效测量,而这将是一种有别于传统测量方式的、更灵敏的全光学测量技术。
  本文以铯原子蒸气作为介质,同时与相对入射的弱探测光(6S1/2→6P3/2)和强耦合光(6P3/2→nS1n/D3/2,5/2)相互作用,调节激光器到合适的频率,从而可以得到阶梯型里德堡原子的EIT信号。通过铯泡周围的螺线管产生近似均匀的磁场,实验中分别调节磁场的大小、探测光和耦合光的功率与偏振、铯原子蒸气的温度以及里德堡态的主量子数和角量子数等来观测EIT光谱的分裂情况,对磁场调控的里德堡原子EIT光谱进行研究,并用解主方程法与量子蒙特卡罗波函数法分别对实验结果进行了计算和模拟。本文主要内容包括:
  一、从光与原子相互作用的半经典模型出发,通过解密度矩阵方程,得到表征系统吸收和色散性质的电极化率表达式,从理论上拟合了里德堡原子的EIT光谱,并且计算了阶梯型系统中三个原子能级(基态6S1/2,F=4,中间态6P3/2,F=5以及里德堡态nS1/2)互不相同的磁相互作用。利用一种概率数值模拟方法-量子蒙特卡罗波函数法对磁场与原子的相互作用过程进行了模拟。以相互作用过程中散射的光子数作为变量,考虑了所有的磁相互作用和超精细相互作用以及中间态和里德堡态的衰减,理论拟合与实验结果符合的很好。
  二、实验上利用结构均匀的螺线管产生磁场,通过改变磁场大小以及里德堡态主量子数和角量子数,系统地研究了磁场对阶梯型里德堡原子EIT光谱的影响,并分析了塞曼能级以及能级间的相对跃迁强度对EIT信号幅度的影响。通过改变探测光和耦合光的偏振组合,研究了里德堡原子EIT光谱对光场偏振的依赖性。
  三、实验上观察到了磁场调控下非线性和非对称分裂的里德堡原子EIT光谱。从理论模拟可知此非线性分裂主要来源于中间态6P3/2在磁场作用下的二阶塞曼效应,而非对称性分裂则主要是由非对称减弱的光泵滴效应导致的。我们从理论上模拟了光泵浦效应随着耦合光失谐以及原子运动速率的变化,并且详细分析了光泵浦效应和EIT的内在联系。实验上还清晰地观测到里德堡原子的自旋分裂光谱,对应于里德堡原子在磁场作用下的自旋向上和自旋向下分裂,即里德堡原子在磁场中的强帕邢巴克作用机制。
  本文的创新之处:
  一、实验上研究了磁场调控的里德堡原子电磁诱导透明光谱。通过改变磁场的大小以及里德堡态主量子数和角量子数,系统地研究了磁场对里德堡原子EIT光谱的影响,并分析了不同塞曼能级间的相对跃迁强度对EIT信号幅度的影响。通过改变探测光和耦合光的偏振组合,研究了里德堡原子EIT光谱对光场偏振的依赖性。
  二、我们引入了一种新的理论模拟方法—量子蒙特卡罗波函数法,其本质与解主方程方法相同,但是在处理较庞大的系统问题中更具优势。实验上观察到了磁场调控下非线性和非对称分裂的里德堡原子EIT光谱,我们利用量子蒙特卡罗波函数对磁场与三能级原子的相互作用过程进行了模拟,验证了中间态的二阶塞曼效应是导致里德堡原子EIT光谱非线性分裂的根本原因,并且分析了光泵浦效应与EIT的内在联系,随着磁场增加而非对称减弱的光泵浦效应导致了里德堡原子EIT光谱的非对称分裂。实验上还观察到了里德堡原子的自旋分裂光谱,对应于帕邢巴克作用机制下里德堡原子的自旋向上和自旋向下分裂。
  三、利用里德堡原子EIT实现了耦合光频率的锁定,更进一步,利用磁场调控时里德堡原子EIT的分裂光谱实现了连续可调谐的耦合光频率锁定,调谐范围约为-35MHz~+35MHz,弥补了目前商业移频器的移频范围空缺(声光调制器,移频范围一般为±50~±350MHz),解决了没有直接原子或分子参考线的耦合光的频率锁定。
[硕士论文] 张学富
数学 贵州师范大学 2017(学位年度)
摘要:精确的势能函数能够完全描述分子的几何特性,通过对分子势能函数解析可以准确得到分子的力常数及光谱常数。随着科学技术的发展,分子光谱在众多热门领域得到了广泛运用,这也对高温光谱的研究提出了更高的要求。基于此,本文运用从头算方法研究了分子的势能函数和分子光谱。
  第一,CO分子基态性质研究。使用MRCI/aug-cc-pCVQZ对CO分子基态的势能和偶极矩进行计算,通过求解 Schr?dinger方程找到了CO分子基态J=0的70个振动态,并计算了每个态的振动能级、转动常数及离心畸变常数,发现其结果与实验值符合较好,进一步导出的光谱常数也与实验值吻合。在计算了CO分子配分函数的基础上,计算了CO分子基态在T=296K下的1-0带的线强度,发现与HITRAN数据库符合较好,在此基础上,首次给出了 CO分子基态3-2、4-2带的线强度和带强度。
  第二,OH?离子基态性质研究。采用MRCI+Q/(O=aug-cc-PV5Z,H=cc-PV5Z)对OH?离子基态进行了势能和偶极矩扫描,将计算得到的势能带入Schr?dinger方程得到了9个振动态,对于各个态,分别计算了振动能级、分子常数及离心畸变常数。在此基础上,进一步计算了OH?离子的转动能级及1-0带跃迁波数,同时导出了该离子的光谱常数,发现与实验值符合较好。
  第三,CO2分子基态性质研究。采用多种方法对CO2分子进行优化,发现当采用 casscf/(O=aug-cc-pVTZ,H=cc-PVQZ)方法时,优化得到的几何结构较好,得到CO2分子的谐振频率、平衡核间距及零点振动能与实验值较为吻合。在此基础上,用casscf/(O=aug-cc-pVTZ,H=cc-pVQZ)对 CO2分子计算了其轨道能量,发现计算结果与文献值符合较好,进一步的对CO2分子势能进行扫描,并对其部分势能进行了拟合。
  第四,CO分子、CO2分子高温光谱的理论计算。对于CO、CO2分子,在计算了分子配分函数的基础上,利用线强度公式计算中温、高温时CO分子1-0带、CO2分子01101-0001带的线强度,结果表明,计算得到的线强度与HITRAN数据库的结果符合较好。在此基础上,进一步计算了CO、CO2温度在4000K、5000K的线强度。
[硕士论文] 许源
原子与分子物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:多年以来,电子与原子之间的相互作用一直是实验和理论上研究的热点问题。最近,用电子散射手段来研究里德堡分子的性质正方兴未艾。然而,精确地计算电子与重原子的相互作用,涉及到对多电子波函数的计算,这在目前仍然具有很大的挑战。因此,合适的单电子赝势被人们发展出来预测电子与原子之间相互作用的过程与性质,达到了很好的效果。受此激发,本文采用了一种单电子有效势的模型来模拟电子与原子的相互作用。单电子有效势理论是基于目前流行的量子化学软件来模拟电子与原子的相互作用势能,此方法具有很高的普适性,可以用来计算电子与重原子甚至分子之间的相互作用。
  本论文主要完成的工作如下:
  第一,介绍了单电子有效势的组成,包含长程时的解析相互作用和短程时量子化学软件模拟势能。
  第二,根据电子与氦原子相互作用的性质,给出了电子与氦原子散射过程中的单电子有效势,并据此有效势计算了电子与氦原子散射的散射相移,散射长度以及总散射截面。
  第三,讨论了里德堡铯原子中最外层价电子与铯原子实的相互作用,得到了其单电子有效势,将铯原子的哈密顿量在氢原子的径向波函数的表象中展开并对角化,得到了铯原子部分能级的能量和量子亏损。
[硕士论文] 杜明利
物理化学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:分子电子学作为纳米科学和纳米技术的一个子学科,这门前沿交叉性学科正引起人们极大的关注和广泛的研究兴趣,如何基于分子自身性质设计出具有特定功能的分子电子学器件是该领域的核心研究课题之一。本硕士学位论文中,我们采用第一性原理计算并结合非平衡态格林函数的方法侧重研究了铁基单分子磁体的电子结构、自旋翻转及输运特性。论文由以下四章构成。
  第一章,简要回顾分子电子学的发展概况之后,对分子电子学领域中常采用的实验技术,如扫描隧道显微镜技术,导电针尖原子力显微镜技术和力学可控劈裂结等,以及几类典型功能的分子器件等进行了简要介绍。
  第二章,首先介绍电子密度泛函理论的基本框架和概念,并在第二部分介绍了非平衡态格林函数方法,之后对本学位论文中用来计算体系电子结构和输运性质的几个计算软件进行了简介。
  第三章,我们侧重研究了铁基单分子磁体的电子结构和输运特性。作为最有潜力的构建单元,由于其高自旋和低自旋双稳态可以相互转换的特性,近年来,铁基单分子磁体(尤其是6N配位化合物)的合成、表征和应用引起了人们广泛的研究兴趣。基于第一性原理计算和非平衡态格林函数方法,我们重点研究了一种少见的铁基单分子磁体(即Fe-N4S2)夹在Au(111)电极之间的输运特性。理论计算结果表明,此类磁体分子结处于低自旋态时,其输运能力不及高自旋态的分子结。对高自旋态分子结而言,根据自旋极化计算出来的隧穿谱和伏安曲线,我们观测到显著的自旋过滤效应,小偏压条件下,通过体系的电流主要由自旋向下的电子决定。此外,我们还计算了两种自旋态之间的翻转能垒:从低自旋态向高自旋态翻转能垒为1.73 eV,而反向翻转的能垒约为0.71 eV,理论预测结果与实验吻合。这些理论结果表明此类铁基单分子磁体有潜力用来构建分子自旋电子学器件。
  第四章,我们尝试揭示铁基单分子磁体的场致开关机理。近期实验研究发现,在配体中成功引入电偶极矩功能团之后,外加电场能有效调控磁芯周围的几何构型,即有效调控晶体场的强度,从而观测到双向自旋翻转现象。采用与上一章类似的理论研究方案,我们优化出不同外电场下Fe-N6磁体的几何构型,搭建出多个界面构型不同的分子结模型,并计算它们的隧穿谱和伏安曲线。遗憾的是,我们未能成功地解释实验观测结果。
[硕士论文] 郝建兴
凝聚态物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:随着激光技术不断发展,近年来强场中的原子、分子电离现象成为原子分子物理中的一个研究热点。本文介绍了强场物理的一些基本概念、与之相关联的实验现象以及研究原子分子电离现象的理论。本文运用半经典模型对Ar原子在椭圆偏振场下的非次序双电离进行了研究,我们的结果表明通过改变椭圆偏振激光场的椭偏率可以实现对主偏振方向(Z方向)以及副偏振方向(X方向)电子-电子关联的控制。另外还研究了椭偏场下再碰撞轨道对非次序双电离的影响,结果表明通过改变激光场椭偏率可以改变不同碰撞轨道的相对贡献,进而实现对再散射轨道的控制。
  第一章首先介绍了强场物理的一些基本概念以及一些基本现象。接着重点介绍了非次序双电离的理论及相关实验现象。
  第二章半经典再散射模型在研究强场物理现象时取得了很大的成功。本章详细介绍了论文中所采用的椭圆偏振激光场下的半经典再散射模型。
  第三章在半经典模型中研究了椭偏场下Ar原子的三维电子-电子关联,得到了不同椭偏率下关联电子动量分布,进一步分析得到了椭偏率对非对称参数α在XYZ三个方向的影响。工作通过改变椭圆偏振强激光场可以有效的实现对三维电子-电子关联的控制。另外,还研究了椭圆偏振激光场对非次序双电离再散射轨道的影响。
  第四章对全文进行了总结,对未来的工作做出了展望。
[博士论文] 王运佳
化学工程与技术 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:纳米金属体系中的耦合效应及其诱导的光电物理现象引起研究者的广泛关注。基于表面等离激元复合结构及其增强的荧光效应是其中一个重要的研究方向。本论文以银纳米复合材料体系为单元,提出并设计了两种复合结构:Fe3O4@Ag核壳结构(LSP-LSP),银纳米粒子-银纳米线复合结构(LSP-SPP)。采用紫外-可见分光光度计,拉曼光谱以及FDTD计算模拟,分别研究了核壳结构的尺寸,粒间距对局域表面等离激元特性的影响。重点利用荧光光谱,研究了两种复合结构对探针分子荧光增强的影响,并分析其物理机理。本论文在生物分子的荧光成像以及RB分子的检测方面具有一定的意义。主要研究内容如下:
  运用化学还原法,成功制备了分散性较好的Fe3O4纳米粒子以及Ag纳米粒子,通过表面修饰成功制备了Fe3O4@Ag核壳结构纳米颗粒。另外,利用PVP作为表面修饰剂,通过媒介作用将银纳米粒子与银纳米线有机结合,成功制备了银纳米粒子-银纳米线复合结构。
  根据复合结构的特点,对于Fe3O4@Ag核壳结构,通过纳米粒子表面密度的调控,研究LSP及其耦合的表面等离激元特性;研究手段主要包括:紫外-可见分光光度计测试Fe3O4@Ag核壳结构的吸收光谱;拉曼光谱表征复合结构的场增强特性,FDTD计算Fe3O4@Ag核壳结构的电磁场分布,结果表明,对于相邻的Fe3O4@Ag核壳结构,当平均距离小于19 nm,形成了表面等离激元耦合,等离激元共振吸收峰红移,随着核壳结构平均距离减小,表面等离激元耦合程度增大,表面电磁场增强;对于银纳米粒子-银纳米线复合结构,通过银纳米粒子在银纳米线表面的沉积以及复合结构表面形貌的蚀刻,研究LSP-SPP耦合的表面等离激元特性。研究手段主要包括:紫外-可见分光光度计测试银纳米粒子-银纳米线复合结构的吸收光谱;拉曼光谱表征耦合结构的场增强特性,FDTD计算银纳米粒子-银纳米线复合结构的电磁场分布。结果表明,银纳米粒子-银纳米线形成复合结构后,表面形成更多的“热点”以及LSP-SPP耦合有效增强表面电磁场,表面等离激元共振吸收增大,对探针分子的拉曼光谱具有显著增强效应。
  实验研究了这两种复合结构表面等离激元耦合增强探针分子的荧光辐射。对于Fe3O4@Ag核壳结构,主要运用荧光光谱仪与荧光显微镜分析不同尺寸的核壳结构对探针分子荧光辐射的影响,然后研究Fe3O4@Ag核壳结构的LSP-LSP耦合效应对探针分子荧光增强的影响,结果表明,Fe3O4@Ag核壳结构的LSP-LSP耦合可有效增强探针分子的荧光辐射,随着耦合程度增大,荧光辐射增强越大,对RB分子以及PpIX分子分别具有5.4倍和15.8倍的增强效果;然后通过引入PVA介电层调控探针分子与核壳结构的平均间距,进一步探究LSP-LSP耦合表面增强荧光的机理,结果表明,荧光增强与荧光猝灭存在竞争关系,探针分子与核壳结构的平均间距是影响荧光增强的一个重要因素。对于LSP-SPP复合结构,主要运用荧光光谱仪与荧光显微镜分析银纳米粒子在银纳米线表面的沉积对探针分子荧光辐射的影响,然后利用酸刻蚀剂对合结构刻蚀,研究银纳米粒子-银纳米线复合结构表面形貌对荧光辐射增强的影响,结果表明,LSP-LSP耦合可有效增强探针分子的荧光辐射,并且复合结构表面的“热点”越多,电磁场增强效应越大,对RB分子以及PpIX分子分别具有9.6倍和10.6倍的增强效果。最后引入PVA介电层,进一步探究LSP-SPP耦合增强荧光的机理。
  基于表面等离激元耦合增强荧光的光学效应,设计并优化复合结构应用于生物医学上的荧光成像以及RB分子检测的初步探究。其中Fe3O4@Ag核壳结构应用于RB分子环境污染物的检测,结果表明最低可检测出RB分子的浓度为5×10-8mol/L;银纳米粒子-银纳米线复合结构应用于原卟啉(PpIX)分子的荧光成像,结果表明LSP-SPP耦合可有效增强原卟啉(PpIX)分子的荧光信号,降低其光漂白性。
[硕士论文] 左鹏程
原子与分子物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:近些年,随着半导体激光器和冷原子技术的发展,基于原子非线性的腔-QED有了很大的发展。腔-QED在实验上能够实现原子与腔的强耦合,可以有效提高原子光学厚度,增强腔模与原子的相干相互作用,为有关原子相干的研究提供了一个崭新的平台。而在热原子腔耦合系统的实验研究中,大多数是在Λ型三能级原子耦合环形腔系统下进行的,腔模场(探测光)与单次穿过原子介质的耦合场同向传播,避免了多普勒效应。本文主要研究三能级原子与环形腔耦合系统下的四波混频效应。主要分为三个部分,具体内容如下:
  第一部分对原子系统中几种量子效应的研究和应用及原子腔系统作了简单介绍。
  第二部分研究了自由空间下光泵浦效应对EIT介质极化特性的影响。理论上,考虑到原子的多普勒效应,分析探针光与耦合光分别同向传播和对向传播时,原子介质表现出的极化特性,以及光泵浦效应对探针光极化特性的影响;实验上,在自由空间成功地验证了光泵浦效应对EIT介质吸收特性的影响。
  第三部分从实验上研究了Λ型三能级热原子与环形腔系统下的四波混频效应。讨论了由四波混频效应产生的反射谱随耦合光频率失谐、功率、粒子数密度等实验参量的变化规律。实验证实在原子共振中心产生的反射四波混频信号无法起振,其对腔模失谐不敏感,这主要是由于在原子跃迁中心,耦合场的泵浦效应导致的强吸收现象,抑制了反射信号在腔内共振;而在单光子失谐条件下,由于热原子的多普勒效应,使得前、反向耦合场对同一频率的腔模探针场及反射信号的吸收减弱,从而使其在腔内起振,获得线宽压窄的内腔反射四波混频信号,这对于下一步开展基于内腔四波混频信号的关联特性测量以及基于内腔受激拉曼散射的研究提供了非常重要的实验保证和参考。
  其中创新性的工作包括:
  1、基于原子-腔耦合系统,实验上获得了线宽接近于激光自然线宽的内腔四波混频信号,并且实现了在空间上与探针光的大角度分离,该结果在频率可调的多通道量子信息存储、全光控制的量子逻辑门操作、全光开关及路由等领域具有潜在的应用价值。
  2、理论上基于光泵浦引起的强吸收效应及热原子的多普勒频移效应对实验现象进行了定性的分析讨论,进一步丰富扩展了基于原子相干的四波混频效应及腔量子电动力学的应用范围。
[硕士论文] 程若磊
理论物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着实验技术的发展,通过很好地调控外势和原子间的相互作用,囚禁于外势中的冷原子已经成为一个重要的研究体系。基于此研究体系,我们提出了一种原子干涉仪方案,在重力加速度的测量精度上,较以往的测量结果有了很大的提高。而在该原子干涉仪方案中,测量精度的实验实现极大地依赖于原子气体的密度分布,因此本文在重点讨论该原子干涉仪的方案外,也深入探讨了在不同温度下费米气体的密度分布。
  首先,基于一种新型的多模式Kaptiza-Dirac(K-D)原子干涉仪方案,我们提出了在多次K-D光脉冲作用下的多模式原子干涉仪方案。利用K-D光脉冲作用于囚禁在简谐势阱(反射镜作用)中的冷原子,从而使冷原子被分成多束与初始相同的原子束。在简谐势阱的作用下,这些原子束便在整周期时刻进行自动汇集。然后,我们再依次将第二次乃至第n次K-D光脉冲作用于冷原子上,从而实现一次完整的动力学过程。最后,在第n次K-D光脉冲作用后一半周期时刻,通过测量其粒子数便可估计相邻模式间的不同位相.再结合Fisher信息和Cramér-Rao下限,我们可以解析地计算该干涉仪对重力加速度的测量精度达到△g/g=10-9/n。可见通过增加K-D光脉冲的作用次数,可以有效地增加其测量精度。
  接着,在此干涉仪方案的基础上,我们讨论了简谐势阱在外界扰动下对测量精度的影响,发现随着扰动强度的增加,干涉仪的测量精度也会降低。然后,通过在不同周期内开启和关闭重力场,我们发现其对测量有一定的影响。最后,通过考虑在此干涉仪原理中引入简谐势中心位置和光场中心位置的位移偏差δx,我们计算发现其与重力加速度的测量可处于相同的量级。因此,该多模式原子干涉仪的原理同样可以应用到制作一种新型的位移传感器。
  在第三章,从全同粒子的多体理论出发,我们推导了理想费米子系统下费米气体的密度分布函数。然后结合费米-狄拉克分布律和一维简谐势阱中波函数的精确解,我们推导出处于一维简谐势阱中费米气体的密度分布表达式。接着,结合金属中自由电子的气体理论和相关文献,我们讨论了该费米子系下费米能级、费米温度和化学势的相关性质。最后,在此基础上我们给出了一维简谐势阱中费米气体的密度分布图,并将其与高温下满足波尔兹曼分布律的密度分布进行对比。
[硕士论文] 范鹏瑞
原子与分子物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:在现代物理学的发展历程中,精密光谱学是人们揭示微观世界规律并获知物质内部结构的重要手段之一。人们对光谱分辨率和灵敏度的不懈追求已经成为驱动科学技术突破的主要动力。激光的发明使光谱分析的极限探测灵敏度、光谱分辨率、时间分辨率、空间分辨率得到了极大的提高,将传统光谱的研究范畴扩展到精密测量、超快动力学等领域。光学频率梳作为精密光学频率测量和超快光学结合的产物,进一步促进了精密光谱学的发展,使高精度量子操控原子分子成为可能。
  本文主要通过激光(窄线宽连续激光器和光学频率梳)和原子相互作用的双光子过程,实现双光子的最优跃迁,获取铷原子高激发态的相关信息。主要研究内容如下:
  1.利用窄线宽连续激光器输出波长分别为780nm和776nm的激光作用在铷泡上,实现铷原子5S-5P-5D的双光子分步跃迁,分别获取了87Rb5S1/2(F=2)-5D5/2、85Rb5S1/2(F=3)-5D5/2、85Rb5S1/2(F=2)-5D5/2和87Rb5S1/2(F=1)-5D5/2的双光子光谱。详细研究了6P3/2-5S1/2自发辐射的420nm蓝光荧光强度和实验参数的关系。
  2.利用5S-5P-5D双光子跃迁实验上实现了铷原子在光学诱导晶格中的离散衍射,获得了清晰的衍射图案。详细研究了频率失谙对离散衍射图案的影响,该研究工作对于在原子系综中研究Parity-time对称具有重要的意义。
  3.利用光学频率梳和窄线宽连续激光器输出的激光反向传输作用在铷泡上,有效克服了由于原子运动带来的多普勒效应,获得了铷原子5S-5P-5D的高分辨双光子跃迁光谱。系统地研究了铷原子温度、连续激光器输出光功率对5S1/2-5D5/2的双光子跃迁的影响。该研究工作对于建立高稳定的光学频率标准提供了一种有力手段。
[硕士论文] 刘聪明
理论物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:拓扑物质态是一大类具有拓扑属性的,新奇的量子物质态,其不能像传统的物质态那样用对称破缺等理论描述,其拓扑特性可以用拓扑不变量来描述。自上世纪80年代量子霍尔效应被发现后,其相关的理论知识和实验探究得到了广泛的关注和研究。尤其在2016年,诺贝尔物理学奖授予了提出凝聚态物质中拓扑相变和拓扑相的三位物理学家,从而使拓扑物理学赢得了更多人的研究热情。其包括的拓扑绝缘体,拓扑半金属,拓扑超流、超导等很多拓扑物质态都取得了一定的进展。
  在冷原子方面,冷原子物理学是原子物理学的一个非常重要的分支。冷原子由于其温度低,运动速度慢,而且原子间的碰撞远小于热原子,因此其具有更稳定的能级结构和更好的操控性。将冷原子囚禁于由激光相互干涉而形成的周期性网状势阱中,即可实现类似于晶体结构的光晶格。光晶格作为一个纯净的、易操控的实验平台,已经成为一个模拟和研究物质态系统的最便利的工具之一。其广泛应用于磁学、动力学及量子学等学科,同时在众多领域内都有着重要的应用价值。而对于拓扑物质态,我们也可以用光晶格进行有效的模拟和探究,相比于真实的材料,其简易的可控性和操作性为实验的实现提供了便利。
  本文主要在冷原子光晶格中,模拟和研究拓扑半金属和其它拓扑物质态的性质。由冷原子光晶格构成的研究系统,在紧束缚近似下,从系统的哈密顿量出发,通过对角化、傅里叶变换,研究和分析系统在动量空间的能谱,并计算其拓扑不变量,从而确定系统所对应的物质相。运用降维法,研究其边缘态的性质,从而验证所对应物质相的属性。另外,文章通过改变二维自旋轨道耦合的强度,计算了不同强度对系统色散关系和边缘态的影响。不同强度的自旋轨道耦合并不会打开系统的能隙,说明系统一直处于半金属,而边缘态的存在和得到的拓扑不变量说明系统具有拓扑非平庸的特性。
[硕士论文] 吉睿
理论物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:量子电动力学主要研究电磁波与物质之间的相互作用,而腔量子电动力学则主要研究的是原子与量子化腔场之间的相互作用,在理论和实验方面已经得到深入研究。这方面比较有代表性的是对Jaynes-Cummings模型和Dicke模型的研究。虽然利用自旋相干态变分法研究标准Dicke模型的基态特性已经实现,但是当用此方法处理考虑原子-原子相互作用的拓展Dicke模型时,自旋相干态变分法研究基态特性失效,我们借助迭代法去处理原子-原子相互作用强度项,这是本篇论文的主要创新点。
  在本篇论文中,我们主要利用自旋相干态变换和基态变分法从理论上研究光腔中冷原子系统的基态特性。我的主要工作是研究含有长程原子-原子相互作用的拓展Dicke模型的基态相变问题,须注意的是:我们只考虑原子间的两体相互作用势。就其方法而言,我们将光场相干态作用于系统哈密顿量取平均场近似,然后再用幺正算符作用于赝自旋哈密顿量且将其投影到自身表象,最终将哈密顿量参数化并得到基态能量的表达式。在正常相区域,我们可以很容易得到系统平均能量、平均原子布居数分布和平均光子数随原子-场耦合强度变化的解析表达式;但是在超辐射相区域,由于考虑原子-原子相互作用,我们需要通过迭代的方法得到原子布居数分布等相关物理量随原子-场集体耦合强度变化的曲线关系。最后,利用基态能量变分法和导数连续性可以确定原子-原子相互作用影响下Dicke模型的量子相变为一阶相变。
  本论文的内容主要分为以下四个方面:
  第一章介绍微腔与原子相互作用的背景知识;
  第二章介绍自旋相干态的定义和物理性质,并基于自旋相干态方法给出自旋-玻色模型的计算;
  第三章从理论上介绍了用自旋相干态变分法来研究原子-原子相互作用影响下Dicke模型的量子相变,我们用变分法对系统的基态能量求导可判断其稳定性,通过一阶、二阶导数的连续性确定其为一级相变,最后基于迭代的方法画出了相关线图和相图;
  第四章是对本篇论文的总结和工作展望。
[硕士论文] 杨智伟
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:Rydberg原子是主量子数n很大的高激发态原子,因其具有独特的性质而受到人们广泛的关注,例如 Rydberg原子具有尺寸大(~n2)、寿命长(~n3)和相互作用强(~n11)等特性。特别是极化率大(~n7)的特性使 Rydberg原子对外场非常敏感。Rydberg原子的电磁感应透明(EIT)可以用来实现 Rydberg原子的全光非破坏性探测,在量子逻辑门,单光子源等方面的研究具有重要的意义。外场调控 Rydberg原子EIT提供了一种自校准的精密测量外场的新方法,具有非常好的应用前景。
  本文以铯原子为研究对象,探测光作用于6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=5)的跃迁,耦合光在Rydberg跃迁线6P3/2(F'=5)→nS/nD附近扫描,光电探测器探测Rydberg原子的 EIT信号。主要研究内容包括了三个方面,首先,我们研究了基于 Rydberg原子EIT的510nm激光频率的锁定;其次详细的研究了调制激光场中Rydberg原子的EIT及其特性;最后,研究了(40~100MHz)射频场中Rydberg原子的EIT效应,提出了一种基于原子的自校准精密测量射频场的新方法。具体如下:
  第一,510nm激光频率的锁定:
  利用饱和吸收光谱将探测光频率锁定在6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=5)的跃迁线,在Rydberg原子三能级系统中获得EIT信号,调制解调Rydberg原子EIT获得类鉴频曲线,由PID反馈回路实现510nm激光的频率锁定,其频率涨落为0.7MHz,阿伦方差的最小值为8.9×10-11。
  第二,调制探测激光场中的Rydberg原子EIT:
  在铯原子室温蒸气池中实现 Rydberg原子 EIT的基础上,当对探测光频率施加一个几kHz的调制时,调制解调后的EIT信号分裂为两个峰,双峰间距与调制频率无关,而与调制幅度导致的失谐量大小(频率调制幅度)成正比,双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的λp/λc=1.67倍。实验结果与理论计算相一致。这个研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测。
  第三,射频电场调制的Rydberg原子EIT:
  对铯Rydberg原子施加弱射频电场(40MHz~100MHz),D态Rydberg原子的EIT光谱发生Stark频移和分裂,同时产生由射频场调制Rydberg能级的偶数级边带,测量结果与Floquet理论模拟的结果相吻合。在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法。
  本文的创新点:
  1.通过对EIT信号进行调制解调获得类鉴频信号,实现了510nm激光频率的锁定。实验中我们获得两种类鉴频信号,一种来源于解调饱和吸收光谱,用来实现852nm激光频率锁定;另一种来源于解调Rydberg原子的EIT信号,用来实现510nm激光频率的锁定,频率涨落为0.7MHz。这种稳频方式实现了激光频率在两个激发态跃迁之间的锁定。
  2.双光子激发和相应的能级组成阶梯型Rydberg原子的EIT系统,当对探测光频率施加一个几kHz的调制时,调制解调后的EIT信号分裂为两个峰,双峰间距与调制频率无关,而与频率调制幅度成正比,双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的λp/λc=1.67倍。这个研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测。
  3. Rydberg原子具有很大的极化率,对外场非常敏感,我们用射频电场调制Rydberg能级,导致 Rydberg能级产生 AC Stark频移和射频边带。利用Rydberg原子的EIT研究了射频电场对Rydberg能级的影响。在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法。
[博士论文] 王进
物理化学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:分子光谱是研究分子结构、内部能量布布、以及分子间相互作用最重要的手段之一。近一个世纪以来,随着激光技术和分子光谱探测技术的发展,光频梳的发明等,使得分子光谱在高精密测量方面具有越来越多的应用:包括验证基本物理定律和对称性,以及测量精密物理常数,比如精细结构常数α、玻尔兹曼常数kB等等。本论文的主要工作是通过自主发展并搭建的高精密光腔衰荡光谱(Cavity Ring-Down Spectroscopy)实验装置,利用频率锁定以及温度控制技术,示范进行高精密的分子光谱频率测量,并用于测定玻尔兹曼常数。
  本论文的主要内容包括以下几部分,
  第一章简要介绍了测量玻尔兹曼常数kB的背景,以及目前国际上其他研究组主要采用的一些测量方法,比如声速法、介电常数发、热噪声法和多普勒展宽方法等,特别是本论文将采用的基于光腔衰荡光谱和多普勒展宽方法测定玻尔兹曼常数的原理。本章还介绍了光腔衰荡光谱方法的原理,以及对kB测量有影响的各种加宽因素,包括碰撞加宽、渡越时间加宽、饱和加宽等等。
  第二章详细介绍了实验装置的设计与搭建,包括样品腔的机械设计与温度控制,激光频率的锁定与扫描等等。为了准确测定玻尔兹曼常数,我们不断改进实验方案,并且通过实际饱和吸收光谱的测量验证了实验方案的可行性。最终发展的实验方案不仅可以用于玻尔兹曼常数的测定,可能还可以用于其它高精密分子光谱测量。
  第三章介绍利用我们发展的三种实验设计方案所测量的结果与分析,对玻尔兹曼常数进行了初步测量结果与分析;同时发展了可用于分子兰姆凹陷测定的实验方法,并实现了精度达到亚kHz的CO分子饱和吸收光谱频率测定。最后,对于进一步的改进实验方法,实现高精密的kB测定以及其它相关分子精密测量进行了讨论。
[硕士论文] 张翔
原子与分子物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:超冷极性分子与超冷原子相比具有更多的自由度、丰富的振转能级结构以及固有的电偶极矩等特点,在基本物理常量的测量、超冷化学、量子计算与量子模拟等领域都有重要应用。目前国际上已有多个实验小组通过将超冷原子进行光缔合或者磁缔合技术间接制备出不同种类的基态极性分子。但是由于重力作用以及与背景气体之间的碰撞,超冷分子将会在毫秒量级的时间内耗散掉,而这样短暂的时间不利于研究基态极性分子的特性以及实现超冷分子的外场操控,一个可行的方案是利用光学偶极阱对分子的极化作用,在特定空间上形成势阱来实现基态极性分子的俘获,因此首先需要利用光学偶极阱来俘获混合原子,并对其在光学偶极阱的动力学过程进行分析,获得混合原子间的碰撞参数,为下一步偶极俘获分子奠定实验基础。
  本文阐述了基于暗磁光阱技术,实现Rb、Cs混合原子的交叉式偶极阱俘获。对比于从普通的磁光阱完成装载的偶极阱,从暗磁光阱中实现的偶极阱可以俘获更多的原子,具有更大的原子装载率以及更长的原子寿命。分析了偶极阱装载过程以及维持过程中原子的动力学过程,获得了原子间的碰撞参数。
  本文的主要工作概括如下:
  1.搭建了Cs原子的暗磁光阱系统并设计了偶极阱时序,完成了Cs原子的交叉式光学偶极俘获。相较于从普通暗磁光阱中直接完成装载的偶极阱而言,得到了更高的偶极阱装载率、更长的原子寿命。
  2.分别利用等密度近似与等体积近似,对偶极阱在装载过程以及维持过程中的原子动力学进行了分析,得到了偶极阱维持过程中原子碰撞与原子温度之间的对应关系,并获得了原子的碰撞参数。进一步,研究了单体碰撞因子及两体碰撞因子与偶极阱势阱深度的关系。
  3.基于Rb、Cs原子的暗磁光阱技术,设计混合原子的光学偶极俘获时序,实现了Rb、Cs混合原子的光学偶极俘获。在偶极阱中得到了2×108个Rb原子,3×108个Cs原子。它们的原子数密度分别为3×1011cm-3、6×1011cm-3。Rb原子团的温度约为150μK,Cs原子团的温度约为100μK。
  4.实验中,对偶极阱维持过程中Rb、Cs混合原子之间的碰撞动力学进行了研究,得到Rb、Cs混合原子的两体碰撞因子βRbCs约在10-10cm3(atom*s)-1的量级上。为下一步偶极俘获RbCs分子提供了实验基础。
[博士论文] 刘彦霞
凝聚态物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:由于冷原子实验的飞速发展,精确控制准一维系统中的原子数目为研究少体问题提供了必要的条件。少体是多体系统研究的基石,近年来少体问题得到了很多冷原子实验小组的关注,使得少体研究成为近期的一个热点。本文我们主要研究一维少体系统,内容包括少体系统的波函数、能谱、隧穿动力学、自旋交换动力学和强相互作用下的一些特殊性质。
  首先,在亚稳态势阱的隧穿理论和隧穿率的计算的基础上,针对处于一维谐振子势阱中的双粒子系统给出了更合理的基态试探波函数。在相对坐标系中,空间划分成三个区域,在区域边界处波函数及其一阶导数都是连续的。准动量可以根据包含两个参数的约束条件来确定。将哈密顿量作用到试探波函数上,通过变分法得到基态能量。结果和精确解的结果符合的非常好。
  其次,利用Bethe ansatz方法给出了束缚在δ势垒双阱中N个玻色子的严格解,并且重点研究了两个粒子的情况。通过求解两个粒子的奇宇称态的占据几率,发现严格解得到的结果和传统的双模近似得到的结果有很大的差别。结果可以为实验上探测激发态提供理论依据。研究了初态为无限高势垒的NOON态时的动力学演化。通过观察双占据几率和单占据几率的相互转换,发现单粒子隧穿导致在相同阱的双占据几率和在不同阱的单占据几率的转变。
  再次,研究了一维强相互作用自旋1的玻色子气体。该系统可以很好的用等效自旋链模型来描述。通过求解等效自旋链,我们给出了偏离能级高度简并的SU(3)可积点的能级排布的规律,以及在强相互作用情况下波函数的对称性。研究发现两个通道相互作用强度的比值在系统的自旋混合动力学中起着关键作用。而有效自旋链的态传递要比Heisenberg双边双二次型的自旋链更好。
  最后,通过严格解研究了一维具有SU(n)对称性的费米气体系统,并给出了所有不同对称性分类中最低能量态的排序。不同的对称性分类可以用Bethe ansatz方程中的量子数唯一标定。我们的结果超越了的Lieb-Mattis定理中仅能给出通过pouring原则比较不同对称性类能级的排布规律。在强相互作用区域,我们给出了有效交换自旋模型的排布规律,并将结果扩展到非均匀外势谐振子势阱的情况。有待在冷原子实验中验证。
[硕士论文] 常鑫鑫
物理学 天津理工大学 2017(学位年度)
摘要:本论文使用三步三色孤立实激发技术和速度影像法对稀土元素Eu原子4f76p3/2 nd(n=6,7)态的自电离光谱及其动力学特性进行了比较系统的研究。Eu原子的自电离动力学特性既包括自电离衰变的分支比(Branching ratios,简记为BR)也包括弹射电子的角分布(angular distribution,简记为AD)。为了测得我们所需要的Eu原子自电离态,首先要对相关的束缚Rydberg态进行探测。在探测到束缚态之后,我们利用三步三色孤立实激发技术将其激发到自电离态。在做好以上的准备之后,将对衰变到不同离子态的分支比和对应的弹射电子的角分布进行系统的研究。
  首先,本实验利用三步双色共振光电离技术,对一定能域内的束缚高激发态进行探测。其次,将第二台激光器的波长固定在探测到束缚态的波长上,使用三步三色孤立实激发技术,对测得的4f76snd束缚态进行进一步的激发获得4f76p3/2 nd自电离态。由于自电离态寿命短不稳定,当Eu原子被激发到自电离态时会迅速向低于该自电离态的离子态衰变,并伴随着有电子弹射出来。弹射出的电子经过电子透镜聚焦后会打到位置敏感探测器上,之后被荧光屏显示出来。CCD将荧光屏上的光信号拍照采集形成数据并储存在电脑中以待进一步处理。
  由于Eu原子4f76p1/2 nd和4f76p3/2 nd自电离态是两种不同的自电离系列,其中后者的平均能量比前者的平均能量高2851.8cm-1,有很明显的物理差异。另外,用于激发4f76p3/2 nd自电离态的第三台激光器的波长必须比4f76p1/2 nd自电离态的波长短很多,这与激光染料的最短波长极限非常接近。因此,不仅相关的物理问题更具挑战性,而且实验难度大大提高。由于高能域的Eu原子4f76p3/2 nd自电离系列可以被揭示,孤立实激发(ICE)技术的应用也可以扩展到新发现的自电离态,显然这样的研究是必须的。此外,将探讨激光偏振对Eu原子4f76p3/2 nd态的自电离光谱的影响,这仅在碱土原子中进行过。最后,通过对在不同激发路径下获得的光谱进行比较,对自电离光谱中的所有峰辨别角动量J值,这也是一项具有挑战性的任务。同时还分析讨论了4f76p3/26d自电离态的分支比,并且进一步讨论了角动量不同的自电离衰变的变化规律,而且给出了不同角动量的自电离衰变弹射电子角分布的对比。最后,分析了不同偏振模式下自电离光谱,自电离衰变分支比,弹射电子角分布的异同。
  总之,本文以n=6,7为例,采用ICE技术和VMI技术系统的研究了4f76p3/2 nd自电离态的光谱、衰变分支比和弹射电子角分布,并且给出了合理的深入的物理解释。
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