利用动力学分析的方法研究受空间边界条件影响的分子间共振相互作用

Intermolecular resonance interaction（IRI）is one basic problem in the research of mechanical effect of vacuum electromagnetic field. The well-known theory about IRI is derived in a condition of free space, which is neither accurate when IRI is near a space boundary, nor capable of showing the “setting up-damping” evolution of IRI. We pose a research subject of exploring IRI under influence of spatial boundary conditions, using quantum dynamic analysis method to show up the time evolution of IRI. We will consider two typical boundary conditions: (1) a metallic plate; (2) an array of dielectric nano rods. We will use quantum mechanics to derive the equation of motion of molecules and vacuum electromagnetic field. We will calculate the potential energy, life time, effective distance of IRI, and study the dependence of these observables on spatial boundary conditions. The results we get will show up the time evolution of IRI, and be accurate even with a space boundary nearby. Our research can develop the well-known theory about IRI, and show up the evolution process of IRI. Our work can also make clear the mechanism of the influence of space boundary on IRI, and help in understanding IRI as well as its features.

分子间共振相互作用是真空电磁场力学效应研究中的基本问题之一。目前，处理分子间共振相互作用的常见理论方法大多只考虑了自由空间条件，不适用于有空间边界存在的情况，且不能反映共振相互作用从建立到衰减的随时间演化过程。本项目将采用全量子的动力学分析方法，研究二个分子在非自由空间条件下发生共振相互作用的过程，以及空间边界对共振相互作用的影响。本项目将具体考虑两种典型边界：（1）金属平面；（2）纳米介电圆柱阵列，通过求解分子与真空电磁场的运动方程，推导并计算分子间共振相互作用的势能、寿命、有效作用距离等物理量，以及它们与空间边界条件之间的依赖关系。由此得到适用于有边界存在情况，且能反映出分子间共振相互作用随时间演化过程的理论结果。这些研究将发展关于分子间共振相互作用的现有理论，揭示共振相互作用的随时间演化过程，阐明空间边界条件影响共振相互作用的物理机制，加深对分子间共振相互作用及其性质的认识。

真空电磁场的力学效应是量子力学中最基本和有趣的问题之一，其中分子间共振相互作用是指一个激发态分子与另一个共振的基态分子通过交换虚光子发生相互作用，并由此产生相干自发辐射、自纠缠等一系列有趣的现象。随着纳米技术、集成光学等领域的发展，实验中的原子分子样品往往非常接近某种边界，但此前关于共振相互作用的理论研究只使用静态的微扰方法考虑了分子处于自由空间中的情况，并不适用于有边界存在的情况，且不能反映共振相互作用“建立-凋亡”的随时间演化过程。本项目使用全量子的动力学分析方法，研究了空间边界对分子间共振相互作用的影响，根据计划完成了以下研究：一，发展了一种具有一般适用性的理论方法，能够描述边界对共振相互作用的影响以及共振相互作用的随时间演化特性；二，针对导体平面为边界的情况，推导了分子的辐射率、能级频移、相互作用势等的解析表达式，并进行了数值模拟，理论上证明了导体平面对于共振相互作用具有显著增强作用，该结果对原子芯片等技术领域的发展具有参考价值；三，针对纳米介电圆柱为边界的情况，解决了任意波矢电磁波在纳米圆柱上的散射以及量子化问题，解析推导了分子辐射率、能级频移等的表达式，进行了数值模拟，理论上证明了通过纳米圆柱的折射率、半径、位置等参数对共振相互作用进行调控的可行性，该结果对集成光学技术的发展具有参考价值；四，研究了基于镶嵌型Mach-Zehnder干涉仪的“弱测量”技术中的量子实在性问题，创新性地引入了复相位概念并发展了一种光子的多路径干涉方法，很好地解释了一系列实验现象，讨论了“弱痕迹”的物理意义和测量条件；五，研究了一系列腔光力学问题，包括拉盖尔-高斯涡旋光腔中的光力学诱导透明和平动-转动光腔中的双透明现象、双转子腔中的量子纠缠、含钇-铁红宝石球的拉盖尔-高斯腔中的三体纠缠以及旋转腔光机系统的宏观量子相干等，这些结果对发展涡旋光轨道角动量测量、电荷精密测量等技术等具有应用价值。

内容获取失败，请点击重试