摘要
腔光力系统主要由光场与机械振子构成，重点研究由辐射压力诱导的光力相互作用所带来的量子效应。腔声磁系统则主要由铁磁材料与腔场组成，其中铁磁晶体中集体激发的自旋波量子（磁子）与微波光子、光学光子、声子模式等相互耦合是该系统的主要特征。随着微纳技术的发展，腔光力、腔声磁系统中的力学振子可以达到较长的寿命，并且可以与不同模式相互耦合，因此这两个系统成为量子物理领域内重要的实验器件。机械振子的薛定谔猫态以及纠缠相干态的产生一直是一个热门的研究领域，如果要利用长寿命的机械振子来进行量子存储，将机械振子冷却到基态是一个必要条件。多个全同的机械振子耦合到同一光场，可能导致暗模效应，从而多振子无法被同时冷却到基态。本文基于腔光力、腔声磁系统，研究系统中机械振子的非经典效应，以及单个机械振子、多个机械振子的基态冷却。具体分为以下几个方面： （1）提出在混合光力系统中产生薛定谔猫态和纠缠相干态的方案。在两个光学腔相互耦合的混合光力系统中（一个光学腔中含有二能级原子，另一个光学腔与机械振子耦合），得到一个含时的光子-原子-声子三体相互作用，在强的腔场驱动下，可获得被增强的声子与原子的耦合；我们研究了机械振子的薛定谔猫态以及在衰减率不可以忽略时的声子激光。由于含时耦合的引入，可以得到较高的平均声子数。若两个光学腔的两端腔镜均可以移动，则这两个机械振子之间可以产生纠缠相干态。 （2）提出了一个利用光学参量放大器来提高两个机械振子的同时基态冷却和同步的方案。对于两个机械振子频率相近但不相同的系统，不会受到暗模效应的影响。由于光学参量项和反旋波项之间的相消干涉，非线性介质可以压缩斯托克斯加热项，从而提高冷却速率，两个机械振子可以同时被冷却到基态。并且我们研究了两个机械振子的同时基态冷却与量子同步的关系，发现两振子达到量子同步并不意味着一定能够被同时冷却到基态，同时基态冷却一定达到量子同步，因此基态冷却是量子同步的充分不必要条件。 （3）针对两个机械振子同时耦合到同一个光学腔的系统，我们提出了利用李雅普诺夫控制实现机械振子同时基态冷却的方案。我们选择机械振子的平均声子数作为李雅普诺夫函数，通过调节其中一个机械振子的频率，可以在明模与暗模之间构造一个耦合，从而搭建出一个冷却通道，实现多个机械振子的同时基态冷却。 （4）在腔声磁系统中，我们提出利用“加热冷却”的方法将钇铁石榴石小球的机械模式冷却到基态。在光子-声子-磁子三体相互作用的系统中，磁热噪声可以作为非相干驱动来增强光子和声子之间的有效耦合。增加热磁子数，机械模式可以被冷却到基态。 以上的这些研究工作对机械振子量子叠加态以及基态冷却具有理论意义，期待这些研究能够为实验提供指导。
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