超冷旋转极性分子气体中的新奇量子相

Recently, there have been tremendous experimental progresses on making ultracold molecular gases of bi-alkali atoms and on the precision control of the molecular states. Compared to atoms, the complex internal structure and the permanent dipole moment of polar molecules allows for the additional controls of the molecular states via static electric fields and microwaves, which makes ultracold gases of polar molecules an ideal platform for studying the precision measurements, ultracold chemical reactions, quantum simulations and quantum computation, etc. In the present project, we shall theoretically investigate the single- and many-body properties of ultracold polar molecules. For the single-molecule system, we shall explore how to engineer single-molecule Hamiltonians involving 2 or 3 hyperfine levels through external fields, microwaves, and lights, and how to generate spin-orbit coupling. For the corresponding molecular gases, we shall study the many-body problems in searching for novel quantum phases. We hope that our theoretical studies may stimulate experimental efforts along this line.

近年来实验上在超冷异核双碱金属原子分子气体的制备和操控上的取得了巨大的进展。和原子相比，极性分子丰富的内部能态和固有电偶极矩提供了包括磁场、电场、微波场和光场等在内的众多调控手段，这使得超冷极性分子气体成为研究精密测量、超冷化学反应、量子模拟和量子计算等的理想平台。本项目中我们将对超冷极性分子的单粒子和多粒子性质开展理论研究。在单粒子层面上，我们将探讨如何利用外电场、外磁场以及微波场调控分子的超精细结构态，从而构造出只包含2到3个超精细结构态模型哈密顿量，以及如何在其中实现自旋-轨道耦合。在多粒子层面上，我们将通过数值求解与该模型对应的多体系统，寻找其中的新量子相，并探索实验测量的方法。我们希望通过这些研究可以相关的实验提供启发和理论依据。

本项目中我们围绕着超冷极性分子气体中的新奇量子相的调控与制备，重点研究了自束缚偶极液滴态的量子相、偶极气体涡旋晶格以及偶极旋量凝聚体中的集体激发、准二维偶极凝聚体量子环境的新奇特性、极性分子气体新奇量子态的制备以及四极量子气体的基态性质和稳定性等问题。我们1）发现自束缚偶极液滴态中包含了两个新型宏观压缩相，并给出了实验测量这些物态的方法；2）给出与偶极涡旋晶格低激发态对应的几种涡旋运动的典型模式，并揭示了反铁磁相中偶极旋量凝聚体的准Goldstone零模；3）发现准二维偶极凝聚体量子环境和它的激发谱的性质密切相关，特别是在有旋子谱出现时；4）提出了在极性分子气体中实现自旋轨道耦合的办法；5）给出了描述四极凝聚体的基态波函数几何性质的方法以及稳定性相图。这些研究对于偶极以及极性分子气体的实验研究有一定的指导作用。项目共发表SCI论文12篇，其中包括1篇PRL和8篇Phys. Rev. A/Applied/Research。在人才培养方面，在本项目的资助下共培养4名博士、出站3名博士后。