大自旋费米冷原子气体中磁性相关集体行为的研究

This project focuses on magnetic collective behaviors of the fermionic cold atoms with large spin (S>1/2). The system differs in two aspects from the traditional Fermi systems, such as electrons and 3He whose spin quantum number is 1/2. Firstly more spin components are included in the system. Secondly the interaction between atoms is more complex. In particular, there exists a new kind of exchange interaction which causes spin-mixing. The spin-mixing exchange is directly related to magnetic properties. Therefore, large spin fermions are expected to exhibit more abundant novel quantum phenomena. The primary focus of this project will be on (1) exploring new features of magnetic phase transitions and magnetic domains in the homogeneous or trapped large spin fermions. (2) calculating spin dynamics and spin transport in the system under certain experimental conditions or subject to external manipulations. (3) examining the spin fluctuation theory of the large spin Fermi gas and deriving effective interactions intermediated by spin fluctuations. In addition, strongly correlations of the large-spin Kondo-lattice model will be discussed.

传统的费米系统主要是电子气体和3He流体，都只具有1/2的自旋。大自旋费米冷原子气体的实现给人们提供了一个崭新的研究对象。由于具有更多的自旋分量（组分）以及更复杂的原子间相互作用, 大自旋费米气体能够展示更加丰富和奇特的新效应。特别值得指出的是，具有大自旋的费米原子之间存在着能够引起自旋混合的交换作用，对系统的磁学性质产生最直接的影响。本项目拟研究该系统中与磁性相关的集体行为，包括磁性转变，磁性涨落，自旋动力学以及自旋输运，着重探讨由自旋混合交换作用引起的新效应。拟主要开展以下几个方面的研究：（1）研究大自旋费米系统中巡游磁性转变和磁畴结构的新特征。（2）结合实验进展，研究在特定实验条件下或在外部调控的情况下的自旋动力学和自旋输运性质。（3）发展大自旋费米气体的自旋涨落理论，计算以自旋涨落为媒介的有效相互作用。此外还将以大自旋Kondo格子模型为例对强关联效应进行一些探索。

本项目计划研究大自旋费米系统中与磁性相关的集体行为，包括磁性转变，磁性涨落，自旋动力学以及自旋输运，着重探讨由自旋混合交换作用引起的新效应。项目的实施围绕着研究计划进行，基本实现了预期的主要目标。..针对大自旋费米系统，取得的主要代表性结果如下：1）基于密度泛函近似研究了简谐势阱中自旋3/2费米气体的巡游磁性转变，讨论了系统可能发生的转变形式并得到基态相图，发现相图中存在一个三相点且该三相点不受自旋混合交换作用的影响。2）采用Hartree-Fock近似，以一维简谐势阱中的自旋3/2费米系统为例，研究了出发态总自旋为零的情况下自旋混合动力学的行为特征。通过比较少体与多粒子系统的动力学特征，得出自旋混合动力学的巨大振荡行为主要取决于同一能级的不同自旋分量之间的自旋交换。3）将安德森杂质模型推广到自旋3/2费米系统，采用双时格林函数法和平均场近似，探索了在此系统中形成局域磁矩的条件。自旋3/2费米系统的磁相图包含3个不同的磁相，分别对应于1、2和3个粒子占据。..此外还在基金在资助下开展了一些扩展性的研究，例如利用光晶格约束的玻色气体实现拓扑的Haldane相。对于原计划中拟发展的大自旋磁性涨落理论，已研究了存在自旋-轨道耦合的电子气体中的自旋涨落效应，后续将着手推广到大自旋系统。另外利用图形技术讨论了大自旋系统基态和集体磁激发的性质，这项工作将可以与发展大自旋磁性涨落理论相结合。关于大自旋磁性杂质问题，后续将进一步研究Kondo格子模型及其强关联效应。