自旋轨道耦合调控下量子液滴的新特性及其动力学研究

Recently, a novel type of quantum liquid, quantum droplets(QDs), attracts many attentions. These new type of self-bound ensembles are formed by the beyond mean-field zero-point quantum fluctuations, which is described by the Lee-Huang-Yang correction. These QDs provide a platform for studying many-body localization and quantum many-body theory and has potential applications on atomic interferometry, precise measurement and quantum data processing. However, the current QDs are all simple ones with an uniform phase. The target of this proposal is to enrich the internal and external, as well as the phase structure of the QD, which in turn will help to develop the study of the QDs. It is well known that spin-orbit coupling (SOC) can play a role in quantum fluid, topological phase transition, assisting the formation of complex phase structures and the stability of multi-dimensional self-bound state . Thus we plan to introduce SOC into above BEC systems to achieve the target of the proposal. Motions, interactions and rotations of QDs under the action of SOC are considered in the proposal too. Moreover, creation of the stable QDs of the bandgap type in free space is a challenging issue of the this proposal. We believe that the combination of SOC and QDs may help to developing the future experimental and theoretical research of QDs.

基于李-黄-杨修正所描述的一种新型量子液体—“量子液滴”近两年成为冷原子科学中一个受人关注的研究课题，它不仅可以用于研究多体局域和量子多体问题，而且在量子信息处理、原子干涉仪、精密测量等方面也有重要的应用价值。但现有的调控手段下，这种量子液滴无论在形态或结构上都较为简单。因此，如何引入新的调控手段，使这种量子液滴产生更多样化的外部形态、内部结构以及更丰富的相位信息，成为其进一步研究和应用亟待解决的一个问题。自旋轨道耦合(SOC)已证明对于量子流体、拓扑相变、复杂相位形成以及稳定性增强上有重要的作用。本项目将引入SOC作为调控手段，研究极性和非极性玻色气体形成的量子液滴的新特性，并进一步研究它们在SOC作用下的空间运动、相互作用以及在涡旋搅拌下的动力学新规律，其中自由空间中带隙量子液滴的产生是本项目的一个挑战性的研究内容。这些研究将为这个问题的解决以及后续进一步的研究和应用提供理论依据。

量子液滴是近年来冷原子物理中一个受人关注的热点问题，其理论框架为Petrov由2015年提出，并与2016年和2018年被德国和西班牙两个实验课题组在实验上所实现。基于Petrov两组份量子液滴的方案，本项目展开对量子液滴的非线性动力学展开研究。项目研究发现，量子液滴内部平均场效应和超越平均场的李-黄-杨效应相互竞争达到平衡时候，有利于稳定涡旋的自局域产生。利用这种性质，本项目在二维自由空间实现了具有高角动量的二维稳定涡旋量子液滴；更进一步，利用周期排列的雪茄型势阱，预言了量子液滴可以支持半离散涡旋自局域这一新型涡旋态的存在，该研究成果填补非线性自局域涡旋类型的一项空白。随后，项目也对准二维系统的隐秘涡旋展开研究，利用量子液滴获得了一种两个分量携带等量但符号相反拓扑荷数，且整体不显现涡旋的新型自局域涡旋态。最后，我们通过结合自旋轨道耦合，在具有三次-五次竞争型非线性的混合玻色系统中获得了带隙型的双涡旋结构的液态自局域解。