旋量凝聚体的光耦合特性及量子涨落

Using linearly polarized optical means, people succeeded in trapping atoms with internal degrees of spin freedom, which opens up a new quantum system: spinor Bose-Einstein Condensates. In addition to the unique optical sensitivities, this system is superfluid accompanied by individual atom magnetic moment and exhibits a rich variety of magnetic phenomena. With these features, the spinor condensate has extensive application prospect in many fields, such as fractional quantum Hall effect, the detection of weak magnetic field, quantum simulation，advanced optical device. In the present project, we investigate the optical spin-orbit coupling properties and the number fluctuations of spinor condensate.Ｗe choose spin F=1 atoms for the spinor condensate and foucus on two topical subjects :(1)The principle of the optical spin-orbit coupling and its influence on the topological properties of the spinor condensate,（2）regulation and control of the number fluctuations in a spinor condensate mixture.Two novel phenomena deserve attention, spin mixing dynamic of the spin-orbit coupling gas, and the spin squeezing and the fluctuation enhancement, the realization and regulation of them can help people understanding the quantum characteristics and inspect the basic quantum model.

利用激光电场的极化效应，可以囚禁各种自旋状态的原子，从而实现一个崭新的量子自旋体系- - 旋量玻色凝聚体。它既具备超流性，但是由于自旋自由度的解放，又携带着非常丰富的磁学效应，再加上凝聚体本身的光学特性，使得旋量凝聚体在分数量子霍尔效应，微弱磁场测量，量子模拟，新型光学器件等实际应用方面有着广泛的前景。本项目研究具有丰富内部自由度的超冷玻色凝聚体的光场自旋轨道耦合和量子涨落特性。结合世界范围内旋量凝聚体实验方面取得的进展，选择自旋为1的旋量凝聚体作为对象，运用量子多体理论，规范理论主要研究两个方面的内容：（1）光场作用实现的的自旋轨道耦合及其对凝聚体自身拓扑性质的影响，（2）旋量凝聚体混合物的量子涨落及调控。我们关注两个新颖的物理现象，即自旋混合动力学的光学响应和自旋压缩与涨落膨胀，其实现和调控可以加深人们对旋量凝聚体的量子特性的认识，检验量子多体物理的基本模型。

冷原子气体奇异相和量子动力学的研究是量子调控领域的热点之一，始终处于国际科学研究前沿领域。本项目主要围绕冷原子气体以及光晶格中原子系统的物理特性进行了研究，运用量子多体理论以及量子蒙特卡罗方法主要研究了以下几方面的内容：.（1）由铁磁性原子和反铁磁性原子组成的旋量凝聚体混合物的基态破碎特性，设计了一种在磁场中捕获“超破碎凝聚态”的方案。.（2）运用改进的量子蒙特卡罗方法对含配对隧穿玻色哈伯德模型进行了研究，集中讨论了配对超固体相，给出相变的普适类和临界指数，这些是平均场方法做不到的。.（3）我们从理论上设计一种激光驱动三束缚原子在光晶格上隧穿的方案，推导出相应的三体隧穿理论模型，给出三聚体超流的实验存在的参数范围，并在理论上模拟了三聚体超流相和其它相之间的相变特征。.（4）为了寻找三体超流相和三体超固体相, 我们把冷原子注入到二维光晶格中, 其配位数z大于一维晶格。我们系统地分析了二维正方晶格(z=4), 二维三角晶格(z=6), 和三维正方晶格(z=6)，并给出三体超流和超固体的存在范围和条件。.（5）旋量凝聚体的量子涨落及自旋压缩，大多数自旋压缩的课题都是以角动量表象作为基矢， 但是其局限性比较明显， 哈密顿量中的各项必须可以由角动量算符表示才行。我们将问题推广到粒子数表象，即可以在哈密顿量中添加任意形式的算符，丰富了问题研究的多样性。. 本项目已按计划完成。自承担项目以来，我们已在国际学术期刊 Phys. Rev. A 上发表论文3篇，Phys. Rev. B上发表一篇。 其它工作成果已基本完成，相关论文预期在2016年发表。项目研究对我们进一步认识冷原子气体的量子特性、探索量子多体物理的基本模型具有重要意义，对冷原子物理的发展有创新性的理论科学价值。