超冷原子系统的相变及其普适行为研究

Critical phenomenon in superfluid phase transition is a fundamental issue in physics. Ultra-cold Bose gas has provided a new system for experimental study of this critical phenomenon. Due to its gaseous nature, many techniques of quantum manipulation and detection which are not realizable in liquid helium system are now possible for the ultra-cold Bose gas system. To take this advantage, we propose to conduct the following studies: (1) With the Talbot-Lau (TL) interferometer, we study the critical phenomenon of a magnetically-trapped Bose gas, analyze the finite size and interaction effects, and obtain high-accuracy experimental values of critical exponents. (2) We study the critical behavior and phase diagram for the ultra-cold atomic gas under a combined optical trap and random potential. (3) We study how the critical behavior is affected by the different spatial geometric structure of optical lattices with the TL interferometer and the second-order correlation. With these studies, we will establish and perfect the TL interferometer as a new and powerful probe of critical phenomenon for different matter states, try to observe the universal behavior in the whole critical regime, and explore possible new critical behavior of the ultra-cold Bose gas in the disordered potential and optical lattices.

超流相变中的普适临界现象是物理学的基本问题，超冷玻色原子气体的出现为从实验上研究这类普适临界行为提供了新的机遇。该系统的气体特性使得许多在液氦里无法实现的量子调控和探测手段成为可能。针对这些新的机遇，紧密结合理论，拟集中开展如下实验研究：(1) 利用Talbot-Lau（TL）干涉仪研究磁阱中原子气体的关联在临界区域的普适行为，分析有限尺度和相互作用对临界行为的影响，得到系统关联临界指数的高精度测量结果；(2) 建立光阱中的玻色－爱因斯坦凝聚系统并加上无序势，研究系统的临界行为和相图；(3) 结合TL干涉仪和高阶关联的分析，研究不同空间构型光晶格系统中的新奇量子相变及其普适行为。通过这些研究，建立和发展TL干涉仪这一探测临界关联的新手段，实现不同物态的相变，争取实验上首次观察到超冷玻色气体在整个临界区域的普适关联行为，探索无序势和光晶格作用下玻色气体中超流相变的新的临界行为。

超冷原子因为方便的量子调控和探测手段，为研究相变中的普适临界现象及其在光晶格系统中的相变提供了新的机遇。项目圆满完成了研究计划，实现了预期目标。首先，研究了超冷玻色原子及其在光晶格系统中的相变和临界行为： 1) 通过Talbot-Lau干涉仪，完整测量了临界区域的发散行为，确定了有限尺寸和相互作用对相变温度的修正和普适临界指数；2) 给出了快速高保真装载原子到光晶格的新方法，在具有鞍形表面形状光晶格p能带实现了滑动相量子态，给出了这种奇特超流体明确的实验证据； 3)利用主元分析新方法处理噪声，更好观察了在不同维度下转换，和维度交叉时产生的较强的量子涨落和热涨落展示的三角型晶格中超冷原子的丰富的量子临界行为。 其次， 相变中的新物态：发现自旋-轨道耦合费米气体中可以产生带有Majorana费米子的暗孤子。以及产生于相互作用的S波费米气体中的具有P波对称的手性超流态。 其三，光晶格中不同轨道超冷原子的操控和动力学特性这些问题展开了研究：1) 实现了光晶格中超冷原子的快速装载，在高保真度和高鲁棒性装载要求满足的同时，装载时间比通常的绝热装载时间缩短了三个数量级。这种方法不仅适用于光晶格的基态，也适用于其它高激发能带；2) 研究了超冷原子在光晶格P能带的动力学演化以及相互作用的影响； 3) 完整演示超冷原子在光晶格高激发能带的隧穿过程； 4) 利用不同路径的相干增强，设计并实现了一种实验上易于实现，并且保证两臂无相位差的高动量原子分束器；5) 成功构建了光晶格中不同能带的原子拉姆塞干涉仪。发表带有基金号标注的论文45篇，其中Nature Communications 1篇、Physical Review Letters 2篇、Communication Physics 和Applied Physics Letters各1篇，New Journal of Physics 和Optics Express 各3篇，Physical Review 系列 15篇， Laser Physics Letters 2篇， 其它国外SCI期刊9篇，国内SCI期刊7篇。放在arXiv上正在审稿的带有基金号论文6篇。 通过这个项目，10名博士和12名硕士已经毕业，2名博士后出站。和国内外进行了广泛的交流和合作，国内外会议被邀请做报告20多次。