超冷费米气体中自旋张量动量耦合的实验研究

Due to the highly controllability of ultracold atomic systems, it provides a powerful platform for studying quantum phenomena in solid systems, especially quantum many-body physics under a gauge field. Among them, many novel quantum phenomena in condensed matter physics, such as topological insulators, topological superconductors and spin Hall effect, have attracted much attention in recent years. However, in mathematics, there are not only spin vectors, but also spin tensors. So far, only spin vector and orbital angular momentum coupling have been realized experimentally in solid state systems and cold atomic systems. Therefore, theoretical physicists have proposed some experimental schemes to achieve spin-tensor-momentum coupling in theory, and predicted many novel physical phenomena. .In this project, on the basis of theoretical scheme and according to our own experimental conditions, we will slightly modify the laser configuration in order to realize spin-tensor-momentum coupling (STMC) in ultracold Fermi gas, and then observe the energy band structure changes of STMC system through rf spin injection, so as to study the novel physical phenomena brought about by STMC system through theories and experiments.

由于超冷原子系统的高度可控性，为研究固体系统中量子现象，特别是规范势下量子多体问题提供了强大的研究平台。这其中利用人造规范势实现自旋轨道耦合来模拟凝聚态物理中许多新奇的量子现象是近年来的研究热点，比如：拓扑绝缘体、拓扑超导体、自旋霍尔效应等。然而，在数学上，不仅仅有自旋矢量，还有自旋张量。到目前为止，在固体系统以及冷原子系统中，实验上仅仅实现了自旋矢量和轨道角动量耦合。因此，理论物理学家在理论上提出了一些实现自旋-张量-动量耦合的实验方案，并且预言了很多新奇物理现象。.在本项目中，我们将在理论方案基础上，根据我们自身实验条件对激光配置进行略微改动，以期在超冷费米气体中实现自旋-张量-动量耦合（STMC），进而通过射频自旋注入来观察STMC系统的能带结构改变，从而结合理论和实验对STMC系统所带来的新奇物理现象进行研究分析。

自旋轨道耦合来源于电子在原子本身固有电场中的运动，是自旋霍尔效应、拓扑绝缘态、拓扑超导体、Majorana费米子、自旋电子学等研究的核心内容，并且可以推广到量子计算。实验上相继在超冷的玻色子和费米子中实现了一维、二维、三维的自旋轨道耦合。但是无论是在固体系统中还是超冷原子系统中，自旋轨道耦合所实现的只是自旋自由度为一阶的自旋矢量与轨道（线性动量）的耦合。在自旋≧1的系统中，不仅仅有自旋矢量，还包括自旋张量。.因此，2017年，美国德克萨斯大学达拉斯分校的张传伟教授在理论上提出了一套在超冷玻色气体中实现自旋张量动量耦合的实验方案。基于该实验方案，我们课题组在40K 的超冷费米气体中第一次在实验上实现了自旋张量动量耦合（STMC），通过射频注入的方法，获取了STMC的能带结构，并且证明了STMC体系中的中间能态是一种暗态。这会激发更多关于新奇的拓扑物质的理论与实验研究，比如可以研究由于暗能带的存在而导致的超固态条纹序。.基于对于冷原子实验的研究，我们开展了相关的科普和科技史的研究。完成“超冷原子简史”、“实验室中发现宇宙”、“量子霸权之谜”、“贝尔不等式检验简史”等科技史和科普文章，其中“超冷原子简史”、“实验室中发现宇宙”两篇文章被《新华文摘》全文转载，并入选封面要目。完成一篇“量子科技引领新一轮科技革命”的论文发表在《山西日报》，该文发表后受到山西省委统战部部长批示，受邀为省委统战部机关及所属单位100余名党员干部作了题为“量子科技引领新一轮科技革命”的专题报告。表明相关研究成果收到了社会各界人士的关注，不仅科普了量子前沿科技，并且为科技政策和战略的制定提供了参考，产生了积极社会影响。