Quantum dynamics in molecular dipolar systems [Teză]

Abstract

The goal: The detection of new quantum dynamical properties in two and three-level Λ-type systems possessing a non-zero permanent dipole moment strongly coupled with quantum optical cavity or opto-mechanical resonators. Research objectives: The calculation of squeezing effects in the resonance fluorescence processes of laser-pumped two-level system possessing a permanent dipole moment; The determnation of the total quantum fluctuation spectra of laser-pumped dipolar two-level systems; Theinvestigation of a laser-pumped three-level Λ-type system having the upper state coupled with a quantum oscillator described by a single quantized leaking mode; The identification of three-level model particularities leading to lasing and cooling effects; The demonstration of quantum interference effects induced by emitter’s dressed states responsible for flexible lasing and deeper cooling effects; The investigation of frequency conversion from optical to microwave region, via the resonant pumping of an asymmetrical two-level system incorporated in a quantized single-mode resonator; The demonstration of multiphoton features of cavity quantum dynamics containing an asymmetric two-level system using certain multiphoton superposition of generated states. Scientific novelty and originality of the results: the new features of resonance fluorescence spectrum of spontaneously emitted photons by dipolar two-level system were demonstrated; two distinct mechanisms of lasing and cooling based on single- or two-quanta processes where detected in the three-level Λ-type system; conversion of photons from optical to microwave domains, via resonantly pumped asymmetrical two-level quantum emitter embedded in a quantized single-mode resonator.

Scopul tezei: Detectarea proprietăților noi în dinamica cuantică a sistemelor cu două niveluri și trei niveluri energetice de tip Λ care posedă dipol permanent nenul și sunt cuplate cu cavitatea optică cuantică sau rezonator opto-mecanic. Obiectivele tezei: Demonstrarea efectelor de comprimare în spectrul fluorescenței de rezonanță a sistemelor cu două niveluri pompate laser; Determinarea spectrului fluctuațiilor cuantice totale a sistemelor dipolare cu două niveluri; Identificarea mecanismelor de emisie laser și răcire în domeniul THz în sistem cu trei nivele energetice de tip Λ cuplat prin dipol permanent nenul cu un oscilator cuantic; Demonstrarea efectelor de interferență cuantică care induc emisie laser și răcire cuantică într-un domeniu extins de frecvențe; Cercetarea metodei de conversie optică de la domeniul optic spre domeniul microundelor, prin pomparea rezonantă a sistemlor asimetrice cu două nivele încorporat de un rezonator cuantic unimod; Demonstrarea proprietăților multifotonice ale cavității cuantice care conține un sistem asimetric cu două niveluri, prin suprapunerea multifotonică a stărilor generate. Noutatea științifică și originalitatea rezultatelor: au fost demonstrate proprietățile noi ale spectrului fluorescenței de rezonanță al fotonilor emiși spontan de către un sistem dipolar cu două niveluri; au fost determinate două mecanisme distincte ale emisiei laser și răcirii cuantice într-un sistem de tip Λ cu trei niveluri cu dipol permanent nenul, implicând procese cuantice unitare și binare; a fost demonstrată conversia frecvenței fotonilor din domeniul optic în domeniul microundelor prin pomparea rezonantă a unui emițător asimetric cu două niveluri incorporat într-un rezonator cuantic unimodal

Цель диссертации: Обнаружение новых квантовых динамических свойств в двух- и трехуровневых системах Λ-типа, обладающих ненулевым постоянным дипольным моментом, сильно связанным с квантовым оптическим резонатором или оптико-механическими резонаторами. Задачи диссертации: Расчет и моделирование эффектов сжатия в процессах резонансной флуоресценции двухуровневой системы с лазерной накачкой, обладающей постоянным дипольным моментом; Моделирование спектров полной квантовой флуктуации в дипольных двухуровневых систем с лазерной накачкой; Исследование новых свойств трехуровневой системы Λ-типа с лазерной накачкой приводящих к гибкому лазерному излучению и охлаждению; Доказательство квантово-интерференционных эффектов ведущих к гибкому лазерному излучению и более глубокому лазерному охлаждению; Исследование преобразования частоты из оптической области в микроволновую с помощью резонансной накачки несимметричной двухуровневой системы; Доказательство многофотонных особенностей квантовой динамики резонатора, содержащего несимметричную двухуровневую систему, с использованием некоторой многофотонной суперпозиции генерируемых состояний. Научная новизна и оригинальность результатов: доказанны новые особенности спектра резонансной флуоресценции спонтанно испускаемых фотонов диполярной двухуровневой системой; в трехуровневой системе Λ-типа обнаружены два различных механизма лазерного излучени и охлаждения, включающие одно- или двухквантовые процессы; доказано преобразование фотонов из оптической в микроволновую область с помощью асимметричного двухуровневого квантового излучателя с резонансной накачкой, встроенного в квантованный одномодовый резонатор