非平衡超冷量子气体中的新奇拓扑效应及调控

Topological phases of matter elude the conventional Laudau paradigm of local order parameters associated with spontaneous symmetry breaking, with promising applications such as topologically protected quantum computing. The highly controllable and flexible ultracold quantum gases in optical lattices offer a unique platform for the realization of these intriguing phases. However, while properties of topological phases have been well established at equilibrium, non-equilibrium scenarios generically occur in present cold-atom experiments. Thus, an outstanding challenge arises as to how to prepare topological states with sufficiently low entropy, as well as how to probe topological signatures, in ultracold quantum gases far from equilibrium. Aiming at these challenges, we will carry out two theoretical investigations considering ultracold fermions in optical lattices. First, we will investigate the nonequilibrium dynamics of Chern insulator in a scenario, wherein the post-quench Hamiltonian contains additional weak interaction between fermionic atoms. We will explore the dynamic manifestation of the interplay between weak interatomic interaction and topological Chern insulator Hamiltonian, and discuss preparation of topological state exhibiting nontrival Chern number. Second, we will investigate the quench dynamics of Weyl semimetal. By revealing the unique dynamic manifestation of Weyl fermions, we propose feasible approaches for probing type I and type II Weyl fermions in non-equilibrium quantum gases within current experimental facilities.

拓扑物态是一种超越了传统朗道对称性破缺理论的新奇量子物态，能够推动未来量子信息和材料科学领域的革命性发展。光晶格中的超冷量子气体作为一个高度纯净可控的平台，为探索新奇拓扑物态提供了重要手段。但是，传统的拓扑物态理论均构建在热力学平衡态框架下，而实验中的超冷量子气体却往往天然处于非平衡。因此，如何在非平衡超冷量子气体中实现拓扑物态的制备以及拓扑效应的探测与调控，是亟待解决的最前沿热点问题。针对此挑战，本项目以光晶格中的超冷费米气体为载体，重点从理论上研究二维具有弱相互作用陈数绝缘体的弛豫动力学和其中的新奇拓扑效应，以及三维第一、二类外尔半金属的独特量子淬火动力学特征，进而探索在非平衡超冷量子气体中制备具有拓扑非平庸陈数量子态的新途径、以及提出探测和调控第一、二类外尔费米子奇特物性的物理方案。

拓扑态是超越了传统朗道对称性破缺理论的新物态，极具基础研究价值，能够推动未来新材料科技、量子信息和量子计算领域的革命性发展。传统对拓扑物态的认知与刻画是在平衡态框架下进行构建的。然而在基于光与原子等量子体系的实验中，由于普遍实施的动力学测量手段与热库编辑技术，系统常常远离热力学平衡，超越了传统的平衡范式。如何在非平衡条件下实现拓扑物态、探测拓扑性、以及发现无平衡对应的新奇量子效应是一个重要挑战，属于国际前沿课题。本项目对此展开了多维度的深入研究，取得了系列进展。首先，研究了有相互作用的低维度非平衡拓扑系统，主要研究了声子缀饰拓扑超导体以及有弱相互作用陈绝缘体的量子淬火动力学，构建了基于极化子主方程的非马尔科夫多体动力学理论，构建了基于相互作用淬火的动力学理论，发展了耗散平均场方程的精确解，重点分析了相互作用、耗散效应、哈密顿拓扑以及量子态拓扑之间的交叉作用物理机制，发现了由声子记忆效应引发的多体量子拓扑稳态，提出了基于非马科夫编辑来实现拓扑量子态的新机制，提出了用非平衡动力学来同时表征平衡对称破缺和拓扑相的新方法，发现了耗散磁孤子这一新现象，为解决在远离平衡的关联体系中制备与表征拓扑态的难题提供了新路径。接着，研究了三维外尔半金属淬火动力学，揭示了外尔点引发的独特非平衡效应，解决了相干淬火动力学中难以实现稳定的整数化非平衡霍尔效应的难题。进一步基于非平衡原子气体，开展了量子模拟与量子传感的实验研究，提出了利用微波缀饰里德堡原子态进行微波探测的新原理，实现了55纳伏（每厘米每根号赫兹)的当前国际最高灵敏度指标，突破了微波量子测量方面的瓶颈；首次预言了相互作用诱导的迁移边，在铯原子实验中观测到了相互作用诱导的迁移边；利用飞行热原子的扩散效应，在原子体系中构建了非厄米SSH空间阵列，首次观测到了拓扑耗散效应；通过将编辑噪声引入光学量子行走，首次观测到了混合量子态的动力学整数拓扑化现象。..项目执行的4年期间，已发表了包括1篇Nature Physics、1篇Physical Review Letters在内的8篇SCI 论文，1成果入选教育部“2020年度中国高等学校十大科技进展”及“2020中国光学领域十大社会影响力事件”。