相互作用原子气体与量子磁学

The ultracold atomic gases provides an ideal platform for studying the many-body effect of strongly correlated systems due to recent breakthrough in both theories and experiments. We study the quantum magnetism models in interacting atomic gases in order to understand the quantum feature of the spin-1 condensate originated from the spin exchange therein. With the effective spin-chain method we explore the magnetic properties and the realization of the long-range anti-ferromagnetic correlation in the condensate. The emergence of higher spin order creates new opportunities for exploring spin-tensor-related physics in spin-orbit coupled superfluid. We also study the vortex dynamics in the dipolar spinor condensate after quenching the transverse field to zero in analog with the multi-layered nanopillar devices. With the recent experimental achievements in one-dimensional anti-ferromagnetic spin chain with a few atoms, the two-dimensional spin-orbit coupling and the magnetization dynamics of the coupled vortex state in nano disks, the research in this proposal would help to establish the basic theory of quantum magnetism in interacting atomic gases.

超冷原子气体由于理论和实验方面取得的突破性进展逐渐成为研究强关联系统各种量子多体效应的理想平台。本项目研究相互作用量子气体中的量子磁学模型，主要研究对象为相互作用的自旋1旋量凝聚体，核心任务是理解源于自旋交换相互作用的磁的量子特性。我们将采用有效自旋链方法研究强相互作用下凝聚体基态的磁性质及反铁磁长程关联的实现，在自旋轨道耦合系统中探讨非磁性相的高阶自旋序参数及其空间调制，类比纳米磁性材料多层结构中的涡旋动力学研究多势阱中偶极旋量凝聚体的自旋涡旋态及其动力学调控。结合近期一维强相互作用自旋链，二维自旋轨道耦合以及纳米磁性多层结构等方面的实验进展，我们希望本项目的研究能加深对相互作用量子气体的磁性及其动力学的认识和理解，为相关实验提供理论依据。

该项目原计划开展的研究内容包括：1）一维强相互作用系统等效自旋链模型；2）自旋轨道角动量耦合的环型凝聚体；3）自旋轨道耦合旋量凝聚体的自旋序参数及其空间调制；4）偶极旋量BEC的自旋涡旋动力学。项目实施基本上按照原计划展开，围绕计划任务，在相互作用量子气体的自旋自由度调控，以及光晶格、外场和系统维度等辅助手段方面，开展了一系列的理论研究，项目执行情况良好，取得了有国际影响的研究成果。在自旋轨道耦合方面，我们的角动量耦合方案得到台北和武汉两个实验组验证，通过计算BEC中条纹态的准粒子激发观察到了集体激发，近期Stringari小组对这一问题进行了详细讨论，并与我们的结果进行了比较。在此基础上提出了通过SOC调节非线性强度的自旋压缩的方案，耦合自旋-1冷原子系统中的自旋张量和质心轨道角动量的方案，并证明后者将导致一种新的低能量子物态：自旋-向列涡旋态，为相互作用量子气体中的自旋自由度调控和高自旋拓扑量子物质的研究开辟了新的途径。一维相互作用量子气体方面，我们在异质量相互作用两体问题的严格解中取得重要进展，BA方程给出了1:3质量比的系统在任意相互作用强度下的能谱和波函数。我们的发现被审稿人认为“有可能动摇现有的分类法…这迫使我们重新思考阿基米德多面体的定义”。计算了一维p波吸引相互作用极化费米气体的动量分布和Tan contact，以及一维玻色费米混合气体中涌现的弹道输运，这是目前国际上几个实验组极为关心的问题。