超冷原子的人造规范势及其性质的研究

We propose to generagte and study the fundamental properties of artifical gauge potential. The Bose-Einstein condensate (BEC) is used as a working medium, by means of the raman coupling technique, we would generate the artificial gauge potential. The fundamential properties of the gauge potential will be explored by the dynamic behavior of the BEC, including the non-abelian feature and the decay dynamics of the dressed dark state. Furthermore, we would study the tunneling prcess and Josephson effect in momentum space, the phase transition between stripe phase and plane wave phase in spin-orbit coupled BEC, and to explore the posibility of 2D Rashba spin-orbit coupling. During this process, we would develop the technique of dynamical magnetic field compensation, high resolution and in-situ imaging; optimize the experiment control and time resolved probing. We would like to boost the study in artificial gauge potential with ultracold atoms in China.

本项目提出以超冷原子形成的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）为介质，利用拉曼耦合技术通过激光和凝聚体的相互作用在空间形成规范势和规范场，并进一步通过BEC在规范势和外势场中的动力学行为，在实验上研究人造规范势和规范场的基本性质，以及进行新物理现象的探索。主要包括BEC在非阿贝尔规范势中的动力学，缀饰暗态在规范势和原子之间相互作用条件下的弛豫过程。进一步的，我们将借助于人造规范势研究动量空间的隧穿过程和约瑟夫森效应，自旋-轨道耦合的BEC的条纹相-平面波相变过程，以及二维Rashba自旋轨道耦合的实验探索。在这个过程中，我们将开发磁场的动态补偿技术，高分辨成像和原位测量技术等新的关键技术，并对实验的实时控制和时间分辨测量等技术进行优化和升级。我们将利用本项目推动我国在超冷原子的人造规范势这个新兴领域的研究，提高整体的研究水平。

本项目旨在超冷原子量子模拟方向上做出一些有特色，开创性的工作，提出以超冷原子形成的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）为介质，利用拉曼耦合技术通过激光和凝聚体的相互作用在空间形成规范势和规范场，并进一步通过BEC 在规范势和外势场中的动力学行为，在实验上研究人造规范势和规范场的基本性质，以及进行新物理现象的探索。在项目执行期间，我们首先实现了一维超冷玻色气体的自旋轨道耦合，并对其基本性质及动力学特征进行了系统性的研究，包括自旋轨道耦合的BEC的集体振荡行为，弛豫特性，在实验上确定了一维自旋轨道耦合的BEC在有限温度下的相图，探测到体系的激发谱，体现了超冷原子在量子模拟的强大功能。另外，在本项目执行期间，与理论合作，首次实现了超冷量子气体的2维自旋轨道耦合，并且证明了这是一个具有独特拓扑性质的体系，为超冷原子量子模拟开创了新的方向。