光晶格中超冷量子气体的新奇拓扑态及其调控研究

The experimental realizations of Bose-Einstein condensates and degenerate Fermi gases in ultracold atoms have led to tremendous advances for many areas of science, such as precision measurement, quantum information, and quantum simulation. Over the last decade, discovery of new states of matter are topic areas of research for modern physics in condensed-matter materials or artificial quantum systems. Particularly, topological state represents a paradigm, which exhibit topologically protected excitations and gapless edge. Unlike solid-state systems, interactions and the environment of ultracold atoms in optical lattices (OL) are tunable or controllable, opening unparalleled opportunities for quantum simulations of exotic topological states and a wide range of many-body physics in a highly controlled way. Based on ultracold atomic gases in OL, we plan to explore the exotic topological states and discuss the physical mechanism for observed topological phases. Explicitly, our project will focus on four main aspects: (1) The realization of exotic topological states with Raman-induced spin-orbit (SO) coupling; (2) The construction of effective p-or d-wave interaction and unconventional topological superfluid for SO-coupled ultracold gases; (3) The new quantum phases for SO-coupled ultracold gases of higher orbital bands in OL; (4) The new-type SO coupling for high spinor quantum gases and emerged multicomponent topological superfluid. Finally, we hope that our study on the exotic topological states with ultracold gases in OL will significantly enhance our understanding of topological quantum matters and motivate the relevant experimental studies in the future.

超冷原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚和量子简并费米气体的成功实现在精密测量、量子信息和量子模拟等很多前沿科学领域都取得了巨大成功。近年来，新奇量子态的探索作为凝聚态物理和人工量子体系中核心的研究方向吸引了很多的研究兴趣。一个典型的范例就是研究具有拓扑保护激发和无能隙边缘态的拓扑物态。和固态体系不同，光晶格中超冷气体的相互作用和几何形状可以在实验上精确调控，用来探索很多新奇拓扑态和多体量子效应。本项目围绕光晶格中超冷气体，研究其涌现的新奇拓扑态和量子调控机制。拟开展的研究包括（1）超冷气体中拉曼诱导自旋-轨道耦合中新奇拓扑态；（2）超冷气体中有效的p-波、d-波相互作用和非常规拓扑超流；（3）光晶格中高轨道态中自旋-轨道耦合及其多体量子效应；（4）高自旋旋量气体中新型自旋-轨道耦合的构造和多组份拓扑超流。希望通过本项目的研究极大的增强我们对拓扑物态方面的理解并推动相关实验研究的发展。

超冷量子气体和腔量子电动力学作为当前人工量子体系中的重要科学前沿，在量子模拟、精密测量、和量子信息等领域取得了巨大的成功，可用来研究一系列超越凝聚态物理和传统原子分子物理的新奇量子物态和强关联多体物理效应，也可广泛应用于基本物理定律的实验验证等。在最近十多年里，新奇量子态的探索在凝聚态物理和人工量子体系中都是一个核心的研究方向，吸引了前所未有的研究兴趣。和固态量子系统不同，光晶格中超冷气体的相互作用和几何形状可以在实验上精确调控，可以实现很多新奇拓扑态和多体量子效应。..超冷原子自旋-轨道耦合的成功实现，提供了一个干净、可控的实验平台，用来探索一系列新奇拓扑物态。利用超冷原子光学晶格中拉曼辅助隧穿，可以实现强的人工合成磁场和不同类型的自旋-轨道耦合。目前实验上拓扑物态的研究主要集中在自旋1/2的量子体系，不同于线性的自旋-矢量-动量耦合，在高自旋系统中可以构建各种自旋-张量-动量耦合，可以研究更加丰富的多体量子效应。此外，在原子-腔复合体系中通过构建腔诱导的长程相互作用，提供了一个超越凝聚态物理实现新奇晶格序的新机会。特别是，原子-腔体系中一个额外的集体诱导冷却机制可以极大的促进对新奇晶体相性质的实验研究。..在这个项目中，我们的研究主要围绕以下三个方面展开:（1）高自旋超冷原子光晶格中自旋-张量-动量耦合辅助下的新奇拓扑相；（2）单原子-光学腔中高品质单光子源到N-光子（声子）源的制备和操控；（3）超冷旋量凝聚体-腔中动力学自旋-轨道耦合辅助下的新奇超固相。希望通过本项目的研究推动和促进超冷量子气体中新奇拓扑相和非经典态的发展并发掘其广阔的应用前景。希望我们提出的超冷原子光晶格中非配对三重简并点的方案可以对探索新奇费米子有重要的促进作用，同时自组织超固相的方案可以进一步增强对利用腔诱导的动力学自旋-轨道耦合产生长寿命新奇超固态的理解和认识。