物理模型库
量子物理实验的物理建模与计算工具
概述
Quatm 物理模型库（physics）提供冷原子/离子混合实验所需的物理建模和计算工具。它包含原子属性数据库、光与物质相互作用计算、光偶极阱（ODT）势建模、Feshbach 共振分析等功能。
原子数据库 — quatm.physics.odt.atomlib
提供常用实验原子/离子的物理属性数据，包含基态到激发态的跃迁频率、线宽、Clebsch-Gordan 耦合系数等。
预定义原子
| 原子/离子 | 字典名 | 典型用途 |
|---|---|---|
| Ba⁺ | BariumDict | 离子阱量子计算 |
| ⁶Li | LithiumDict | 超冷费米气体 |
| Mg⁺ | MagnesiumDict | 离子阱量子计算 |
| ⁸⁷Rb | RubidiumDict | 玻色-爱因斯坦凝聚 |
| Ca⁺ | CalciumDict | 离子阱精密测量 |
属性字段
每个原子字典包含以下物理常数：
| 字段 | 说明 |
|---|---|
name | 元素/同位素名称 |
charge | 电荷量 (C) |
mass | 原子质量 (kg) |
SP_frequencies | 强跃迁 (S→P) 角频率 |
SP_decays | 强跃迁线宽 (角频率) |
SP_linpolcoupling | Clebsch-Gordan 平方耦合系数 |
DP_frequencies | 弱跃迁 (D 态) 频率 |
DP_decays | 弱跃迁线宽 |
DP_linpolcoupling | 弱跃迁耦合系数 |
使用示例
from quatm.physics.odt.atomlib import Atom, BariumDict
# 创建钡离子实例
ba_ion = Atom(BariumDict)
print(f"质量: {ba_ion.mass:.2e} kg")
print(f"电荷: {ba_ion.charge:.2e} C")
预实例化的原子可直接导入：Ba, Li, Mg, Rb, Ca。
光与物质相互作用 — quatm.physics.odt.lightmatterint
计算给定原子和激光配置下的光-物质相互作用量，基于 Metcalf 和 van der Straten 的形式理论。
LMinteraction 类
from quatm.physics.odt.lightmatterint import LMinteraction
from quatm.physics.odt.atomlib import Ba
from quatm.physics.odt.lasers import Laser
# 创建激光对象和相互作用计算器
laser = Laser(wavelength=532e-9, power=10.0, waist=50e-6)
lm = LMinteraction(ion=Ba, laser=laser)
关键方法
| 方法 | 功能 | 公式 |
|---|---|---|
SPStarkShift(transition) | 单跃迁 AC Stark 位移 | \(\delta_n = -\frac{3\pi c^2}{2\omega_0^3} \left(\frac{\Gamma}{\omega_0-\omega_L} + \frac{\Gamma}{\omega_0+\omega_L}\right) I\) |
S12shift() | S→P 总 Stark 位移 | 各跃迁加权求和 |
ScattRate(transition) | 单跃迁散射率 | 非共振光子散射速率 |
TotalScattRate() | 总散射率 | 所有强跃迁散射率之和 |
光偶极阱建模 — quatm.physics.odt.opticaltraputils
Trap 类
建模完整的光偶极阱势，综合计算以下贡献：
- 一个或多个高斯激光束的光学势
- 直流电场（杂散场和四极曲率）
- 与附加囚禁离子的库仑相互作用
from quatm.physics.odt.opticaltraputils import Trap
trap = Trap(
laser=laser,
ion=ba_ion,
efields=efield_config,
laseroffset=(0.0, 0.0) # 激光束偏离阱中心的位置
)
关键方法
| 方法 | 说明 |
|---|---|
AnalTrapDepth() | 无线性杂散场时的解析阱深 (mK) |
FullPotential2D(x, y) | 计算 (x, y) 处的 2D 完整势 |
FullPotential3D(x, y, z) | 计算 (x, y, z) 处的 3D 完整势 |
FullPotential(point, ion_pos) | 计算空间某点的完整势 (K)，可含其他离子位置 |
物理学公式参考
AC Stark 位移
光偶极阱中原子经历的 AC Stark 位移：
$$U_{\text{dip}} = -\frac{3\pi c^2}{2\omega_0^3} \left(\frac{\Gamma}{\omega_0 - \omega_L} + \frac{\Gamma}{\omega_0 + \omega_L}\right) I$$
其中 $\omega_0$ 为原子共振频率，$\omega_L$ 为激光频率，$\Gamma$ 为跃迁线宽，$I$ 为激光强度。
光子散射率
非共振光子散射导致的加热速率为：
$$\Gamma_{\text{sc}} = \frac{3\pi c^2}{2\hbar\omega_0^3} \left(\frac{\omega_L}{\omega_0}\right)^3 \left(\frac{\Gamma}{\omega_0 - \omega_L} + \frac{\Gamma}{\omega_0 + \omega_L}\right)^2 I$$