光-超冷气体混合体系的动力学研究

Ultracold atom and molecule gases is a hot topic in current precision measurement, condensed matter physics, quantum information and quantum optics. In this research, light plays a role of manipulation and detection. However, in this research, local field effect that the nack reaction of the illuminated gas on the light propagation has long been neglected. Our recent research shows that the local field effect leads to the coupling of the light propagation and the gas dynamics, such that light-ultraocld gas forms a hybrid system, and some observable effects have been predicted（Phys. Rev. Lett. 106，120403（2011）； 110，250401（2013）.arXiv:1503.03101）..Based on our recent research, we carry out the dynamics of the hybrid system of light and ultracold gases.: (1)The influence of local field effect on the accuracy of the measurement using the ultracold gass;(2)Exploration the effect of the system spatial dimension and spin degrees on the quantum topology effect of the hybrid system; 4)Theoretical investigation of the detection of the hybrid system dynamics..The project can push forward the theory of co-manibenift pulation of light and matter wave, and will benefit the related research carried out in our country.

超冷原子分子气体是精密测量、凝聚态物理、量子光学等交叉研究的热点。其中，光场是超冷气体动力学重要的操控手段，又是重要测量手段。然而，通常超冷气体对光场传输的影响（局域场效应）被忽略了。我们近年的研究表明该效应可导致光场传输和超冷气体动力学因相互耦合而构成混合体系，且产生可观察的物理效应（Phys. Rev. Lett. 106，120403（2011）； 110，250401（2013）；arXiv:1503.03101）。本项目以此为基础深入研究光和超冷气体混合体系的动力学：1.研究局域场效应对基于超冷气体的精密测量精度的影响；2.探索该体系空间维度以及自旋自由度对混合体系的量子拓扑缺陷的影响及其集体激发，3. 发展超冷分子气体的局域场效应及其对超冷分子气体的量子相变影响； 4）研究该混合体系动力学实验探测的相关理论。本项目将拓展光场和物质波协同操控理论，推动我国相关领域的发展。

光、微波核和冷原子气体的混合动力学是近年量子光学和超冷物理交叉研究的一个新方向，为此开展研究得到如下结果：（1）如何产生涡旋度大于1的玻色爱因斯坦凝聚体（BEC）是长期待解决的重要问题。我们发现利用微波和旋量原子气体相互作用的磁局域场效应，稳定的、具有高涡旋度的物质波涡旋能够产生。这项成果对于量子湍流、超稳定Sagnac干涉仪研究具有价值，为高维量子信息载体的光学涡旋的稳定存储提供了新途径。（2）发现自旋轨道耦合的超冷量子气体在局域场作用下可以产生自加速孤子和涡旋，解决了自1979年Berry等提出的自加速波能量无穷大的问题，所发展的物理机制也可在高度非局域非线性光学介质中实现。（3）解析得到了BEC 对大失谐光的一阶色散和二阶色散的计算公式。数值计算表明,BEC 的折射率以及二阶色散系数与红、蓝失谐的性质有关: 在红失谐时，折射率大于 1，且二阶色散是正常色散；在蓝失谐时，折射率小于 1，二阶色散为反常色散。因此，对于超短脉冲光，BEC 是一种新型的量子色散介质。本工作为开展超短光脉冲在超冷气体的传输打下理论基础。（4）开展了基于超冷原子气体运动态的新型Ramsey干涉仪，对于量子多体性质研究以及原子比特操控具有前在应用价值。（5）研究了紧聚焦的混合阶庞加莱光的自旋密度, 发现它不仅有横向分量, 还有纵向分量. 这些特征可以用于手性微粒的光力学分离和操控, 也可以用于产生等效磁场操控超冷旋量原子气体动力学.