自旋-轨道耦合作用下超冷原子气体中的多体理论

The remarkable realization of spin-orbit (SO) coupling in ultracold atomic gases generates great interest recently. In contrast to the solid-state matters, the SO coupling in quantum gases is induced by the atom-light interaction and can be realized in flexible configurations. Such merits make the cold atoms an ideal platform to explore the novel many-body phenomena with SO coupling. Various exotic quantum phases could emerge in these systems, such as the stripe condensation state in Bose gases and the pairing state with non-zero center-mass-momentum in Fermi gases. The elementary excitations, superfluid properties and collective modes are also significantly affected by the SO coupling. Very recently, the SO coupling has been experimentally achieved in high spin system with high dimensional configuration, which opens up new perspective in this area. The project aims to study the many-body effect in these new systems, and our research will be helpful to future experiment.

近年来，超冷原子气体中自旋-轨道耦合的实现引发了广泛的研究兴趣。相对于传统固体材料而言，冷原子气体中的自旋-轨道耦合具有强度可控的优越性，并可结合多种实验手段构建不同的耦合形式，因此成为了探索多体效应的一个理想平台。在这类系统中不仅会出现各种新奇的量子相，如，玻色气体中的条纹凝聚相，以及费米气体中质心动量不为零的配对超流相；而且，体系的元激发、超流性质、集体运动模式等也会被自旋-轨道耦合显著影响，表现出新的物理规律。最近，实验上的一系列突破性进展为该领域的研究开辟了更广阔的空间，自旋-轨道耦合被成功地推广到高自旋体系，并被拓展成高维度的耦合形式。本项目旨在从理论上探索这些新系统中的多体物理效应，我们的成果也将为今后实验的进一步发展提供有益的帮助与支持。

过去十几年来，超冷原子气体已经逐渐发展成为量子模拟研究的重要平台。在本项目中，我们围绕超冷原子中的多体物理效应开展了深入的理论探索，取得了一系列有意义的研究成果。这些成果主要包括：（1）在双分量玻色子体系中预言了一类新型凝聚现象，为揭示玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）与气液凝聚之间的内在联系开辟了新的思路，也为实验上进一步探索量子凝聚的物理机制提供了新的理论依据。（2）将朗道超流判据推广到各向异性情形，给出了超流临界速度的普遍公式，并提出了可供实验检验的理论预言。此外，我们还对新近实验上在偶极BEC中观测到的各向异性耗散现象做出了简明的理论解释。（3）揭示了自旋轨道耦合BEC超流性质的新特征，指出了该体系的正常流体密度在零温时的反常行为，以及其与体系磁化率、声速的内禀联系。（4）研究了自旋轨道耦合BEC在简谐势阱中的集体激发模式，提出实验上可以通过集体激发的测量辨识各凝聚相的特征及指认量子相变点。