超冷玻色-费米混合量子气体新奇量子态的实验和理论研究

Ultracold quantum gasses are considered as the ideal synthetic quantum system due to the hight controllability of interactions, components, dimensions, and the external trap. Differing from the pure ultracold Bose or Fermi gas, the Bose-Fermi mixture obeys different quantum statistics, which leads to exotic quantum states which don't exist in a traditional atomic-molecular system. Thus, the ultracold Bose-Fermi mixture provides a new platform for exploring novel quantum states. In this project, we will systematically explore novel quantum states in the ultracold Bose-Fermi mixture by applying experimental observation, numerical simulation and theoretical derivation simultaneously. This includes several items as following: improve both platforms of the experiment and numerical simulation; achieve a stable system of ultracold Bose-Fermi mixture and probe phase transitions in the Feshbach resonance; explore few-body interactions, including the Efimov effect; study the coherence and supersolid by controlling the particle ratio and interaction strength between Bose and Fermi atoms, after loading the mixture in optical lattices; explore the supersymmetry of the mixture by probing collective excitations of the Fermi gas. This project will help us to explore some novel quantum phenomena in the ultracold Bose-Fermi mixture, illuminate their physical mechanism, and lead to a further understanding about novel quantum states related to ultracold quantum atoms and condensed matter.

超冷量子气体由于其相互作用、组份、维度、外势等参数的可调控性被认为是一种理想的人造量子系统。不同于纯的超冷玻色或者费米气体，玻色-费米混合量子气体由于原子间相互作用服从不同的量子统计特性，具有传统原子分子中所没有的量子态，为探索奇异量子现象提供了新的途径。本项目将从实验观测、数值模拟和理论推导三方面同时进行，对超冷玻色-费米混合量子气体的新奇量子态进行系统性研究：完善现有的超冷玻色-费米混合量子系统的实验平台和数值模拟平台；获得稳定的超冷混合量子气体，探测Feshbach共振区间的相变行为；研究混合体系中的少体相互作用，揭示Efimov物理；将混合气体装载到光晶格中，控制原子间的相互作用和粒子数比例，研究体系的超固态；探测体系中费米原子的集体激发，研究体系的超对称性。本项目将揭示该系统中的新奇量子现象，研究它们的物理机制，促进对冷原子物理及相关凝聚态系统奇异量子态的深刻理解。

超冷原子玻色费米量子气体的宏观量子特性和高度可调控性为人们提供了一种全新的量子体系，其新颖量子态和奇异物性研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域。本项目在超冷原子玻色费米量子气体的拓扑量子态、量子相变及相关动力学方面的理论和实验研究中取得了很多突出性进展。建立了超冷原子玻色费米气体实验平台和数值模拟理论平台，并发展了相应的理论分析方法，研究了超冷玻色费米气体的基态量子相和相关动力学过程。综合考虑人工规范场、自旋轨道耦合、自旋轨道角度量耦合、两体关联效应、强关联效应、长程相互作用、超对称性、光晶格、光学微腔、磁势阱等对量子气体的影响，揭示了在超冷玻色费米量子气体中存在着许多新奇量子态及量子相变，比如：双量子自旋涡旋、拓扑激发、量子数和分数skyrmions、伴随极核涡旋的磁单极子、超固相、马约拉纳零模、巡回手性铁磁体、FFLO态到拓扑超流的相变等；同时发现了许多新颖动力学过程，比如：高斯型连续变量开放系统的普适无耗散动力学、人工规范场诱导的原子电子光电效应等。此外，还发展了超冷玻色费米气体制备新技术，利用二维磁光阱中的多频率边带冷却提高了囚禁费米气体的原子数目，在磁场和767nm蓝失谐光塞组合阱中通过射频蒸发冷却过程，实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚现象。共发表论文104篇，其中在Physical Review Letters上发表论文4篇，Physical Review系列上发表论文44篇，英文专著3本。申报专利2项。获2016年北京市科学技术奖一等奖，获2018年河北省科学技术奖三等奖。通过该项目，出站博士后7人，毕业博士研究生13人，硕士研究生2人，还有在站博士后5人，在读博士研究生16人，硕士研究生2人。同时与美国、德国、法国、英国等著名科学家进行了广泛的国际合作交流。