准二维光晶格中超冷原子量子输运及调控的研究

This project investigates quantum transport of ultracold atoms and its coherent control in quasi-two-dimensional optical lattices. With analytical and numeric methods, we analyze the key role of the atomic interactions in quantum transport progress, with a special emphasis on quantum correlation effect and its its various relevant characteristics. We study the effect of the amplitude modulation and phase modulation of optical lattices on atomic quantum transport behavior, and emphatically analyze the various new features of atomic quantum transport behavior in in quasi-two-dimensional optical lattices with spatio-temporal symmetry breaking. Within the framework of the mean-field approximation, we study the chaotic dynamical behavior with a special emphasis on the characteristics of spatial-temporal chaos in atomic quantum transport progress. By using periodic modulation and spatio-temporal symmetry breaking as control ways, we mainly discuss the coherent control of atomic quantum transport behavior, and suggest the theoretical methods to controlling and detecting various related properties of atomic quantum transport. Our works are of importantly theoretical value and practical significance ofthe theoretical development of classical and quantum chaos, and the application research of ultracold atoms.

本项目研究超冷原子在准二维光学晶格中的量子输运行为以及它们的相干控制。通过解析和数值方法, 分析原子之间的相互作用在量子输运过程中的关键作用，重点分析在强相互作用极限下，原子输运行为中的量子关联效应以及各种相关特性。研究光晶格的幅度调制和位相调制对原子量子输运行为的影响，着重分析超冷原子在时空对称破缺准二维光学晶格中量子输运行为的各种新特性。在平均场近似的理论框架下，研究超冷原子在时间周期调制准二维光学晶格中的混沌动力学特性，特别是量子输运过程的时空混沌的特征。以周期调制和时空对称破缺为控制手段，重点研究超冷原子量子输运行为的相干控制,提出控制和探测原子量子输运过程中的各种相关性质的理论方法。这些工作对于经典和量子混沌理论的发展以及冷原子的应用研究均具有重要的理论价值和现实意义。

本项目重点讨论了原子相互作用和参数周期调制共同导致的新物理效应，以及它们对原子量子输运过程的控制。经过四年的努力探索，本项目组如期完成了预定的研究计划。(1)在强相互作用极限下，相互排斥的玻色原子能够形成稳定的束缚态(准分子态)，我们分析了高频周期调制的格点偏压对准分子态的关联隧穿效应的影响，发现能谱在一些特殊的周期调制幅度和调制频率比值附近出现能谱汇聚，形成能谱崩塌效应，并且在能谱崩塌点附近存在能级交叉和免交叉的精细结构，这种精细结构为我们选择性地控制原子的关联隧穿提供了可能性。(2)我们分析了一个周期调制的格点偏压对原子Landau-Zener隧穿过程的影响，研究结果显示，在原来出现Landau-Zener隧穿的附近，如果周期调制的光子能量跟两个相邻能级差匹配，会出现瞬时共振，从而诱导出边带跃迁。 我们的理论分析显示， 在共振点附近，体系可以用一个有效的两能级Landau-Zener隧穿模型来描述, 能级之间的耦合系数可以通过调整驱动的幅度和频率来控制。这提供了一个有效的方法来理解和控制冷原子的Landau-Zener隧穿过程。(3) 我们构建了一个各向异性的量子拉比模型来描述具有不对称自旋轨道耦合的冷原子体系，发展了一套分析方法得到了系统的精确解。研究发现，这些精确解对应能谱中能级交叉。更为重要的是，我们的物理模型很好地拟合了实验数据。(4) 我们讨论了相互作用和非全同耦合的共同合作效应。结果发现，这种合作效应导致超冷原子的隧穿过程呈现丰富的动力学行为，隧穿过程出现“两负得正”效应。相互作用和耦合系数的单独增加能够抑制隧穿，但是他们一起却提高隧穿。在半经典近似下，体系出现混沌效应，并且呈现不对称性。从弱相互作用跨越到强相互作用区域，体系出现从量子拍到崩塌-回复过程的转变。这些工作对于冷原子的应用研究具有重要的理论价值和现实意义。