[发明专利]三能级原子在多层拓扑绝缘体结构中的自发辐射计算方法

说明书

本发明提出一种三能级原子在多层拓扑绝缘体结构中的自发辐射计算方法，包括：第一步：建立多层拓扑绝缘体结构的模型；第二步：确定拓扑绝缘体的电磁特性；第三步：确定电磁波在分界面上的边界条件；第四步：利用边界条件求得多层拓扑绝缘体的传输矩阵；第五步：求得多层拓扑绝缘体结构的反射系数；第六步：求出三能级原子位于多层拓扑绝缘体结构中的自发辐射率表达式。本发明能够准确分析位于多层拓扑绝缘体结构附近及其构成的腔中的三能级原子自发辐射率和量子干涉强度，准确定位各种参数和多层拓扑绝缘体材料对自发辐射和量子干涉的影响和根本原因，进而用以调控原子自发辐射和量子干涉。

技术领域

本发明属于量子光学领域，具体涉及一种三能级原子在多层拓扑绝缘体结构中的自发辐射计算方法。

背景技术

原子的自发辐射是量子光学范畴内的重点研究内容，它对发光二极管、激光器以及太阳能电池等设备的制作具有重要的意义。自发辐射所释放出的光子其相位和方向都是不确定的，这种随机性往往会破坏系统的稳定性，使得自发辐射影响了量子信息领域的研究，限制了激光器以及量子信息方面的应用，所以控制自发辐射成为主要的研究工作。近些年来，许多特殊材料和具有非平凡电磁性质的材料陆续被发现，并被迅速的应用来调控原子的自发辐射。如拓扑绝缘体、左手材料、等离子体波导、双曲特异材料等等，拓宽了自发辐射调控的研究方向。

拓扑绝缘体(Topological insulator,TI)内部和常规绝缘体一样具有能隙而表现出绝缘态，然而其表面是没有能隙的导电态，而且具有时间反演对称性，这个表面态体现了拓扑绝缘体的拓扑性质，其涉及到希尔伯特空间，是量子力学中的一个全新描绘。拓扑绝缘体中“拓扑”的由来，就是因为描述拓扑绝缘体的波函数所对应的电子态，其包含的希尔伯特空间具有拓扑性质的结构。由于多层拓扑绝缘体材料具有独特的性质，其附近原子的自发辐射和量子干涉与其他材料相比会有较大不同。经检索，现有技术中未涉及多层拓扑绝缘体材料附近及其腔中的三能级原子的自发辐射和量子干涉特性的研究。因此本方法将求得多层拓扑绝缘体结构中的三能级原子系统的自发辐射和干涉强度。

发明内容

本发明提供了一种通过传输矩阵计算多层拓扑绝缘体附近及其构成的腔中的三能级原子系统自发辐射计算方法。本发明中所使用的多层拓扑绝缘体材料的理论模型比较接近于实际的多层拓扑绝缘体材料，作为测试材料比较有应用价值。

本发明采取以下技术方案：

一种三能级原子在多层拓扑绝缘体结构中的自发辐射计算方法，按如下步骤进行：

第一步：建立多层拓扑绝缘体结构的模型；

多层拓扑绝缘体结构由拓扑绝缘体和常规绝缘体周期排列组成，其中常规绝缘体的介电常数和磁导率为ε₁和μ₁，三维拓扑绝缘体的介电常数和磁导率为ε₂和μ₂。

第二步：确定拓扑绝缘体的电磁特性；

根据拓扑场论，拓扑绝缘体中的普通电磁响应项为：

S₀＝∫dx³dt(ε₂E²-B²/μ₂)  (1)

与拓扑磁电响应相关的电磁响应项为：

S_Θ＝(αΘ/4π²)∫dx³dtE·B  (2)

由于拓扑磁电耦合效应的存在，在三维拓扑绝缘体的本构关系中要添加拓扑贡献项，表达式为：

推导出TI中电场与磁场各分量之间的关系：

第三步：确定电磁波在分界面上的边界条件。