基于旋量玻色爱因斯坦凝聚体的光力学系统的理论研究

Our recent work shows that, in an optomechanical system with BEC, if we take the freedom of spin degrees of atoms into account, we may observe some new physics in this system, such as multistability. In this program, first, we plan to do some further study on the optomechanical system consisting of quasi-one dimensional BEC and optical cavity. We will try to do some numerical simulation under the most gerneral conditions, and find out more details about this system. Meanwhile, we can also examine the validity of approximate conditions we used in our previous work.Specially, we will focus on studying the limitation enforced on the magnetometer based on this kind of system due to the quantum measurement backaction. Furthermore, we will generalize this system to quasi-two dimension, and study the stable state, superradiance and quantum phase transitions in this system. Since there are two kind of freedom of degrees in this system, the interplay between these two degrees induced by cavity photons may lead to some very interesting physics, such as quantum topological orders. At the same time, we plan to study the non- demolition measurment in the system consisting of BEC with effective negative mass and positive mass mechanical oscillator, and explore the potential application in quantum information science and ultra-precision measurement.

我们最近的工作显示出，在量子光场- - 超冷原子构成的光力学系统中，当计入 原子的自旋与光场耦合后，将出现新的物理性质，例如光场和物质波的多稳等。在本项目中， 我们将进一步研究准一维旋量BEC 与量子光场构成的光力学系统，对其进行最一般条件下的数值模拟，以分析其性质及检验之前工作中所采用的各类近似条件的合理性，并重点探讨基于此类系统的磁场测量计，由于测量反作用对该系统测量精度的限制。我们还将探讨将这一系统拓展至二维后，其所具有的稳态特性，超辐射特性及量子相变等。特别是，由于在这个系统中，原子既有质心运动自由度又具有自旋自由度，在光场的媒介作用下，这两种自由度耦合可能会导致非常有趣的物理现象，如量子拓扑序等。我们将对这一问题进行仔细分析。我们还将同时研究光晶格中负有效质量BEC凝聚体与正质量机械振子耦合系统的非破坏测量问题，探索其在超精密测量及量子信息处理中的潜在应用。

本项目主要研究内容为分析多分量量子简并气体与光场耦合系统的各种物 理性质如稳态性质，多稳行为，动力学过程，量子相变及基于该系统的量子测量理论等，并在此分析基础上探索该系统在量子物理基础，量子信息及超精密测量等领域的潜在应用。我们顺利的执行了当初的研究计划并取得了一系列重要成果。1. 我们重点研究了超冷简并费米气体在包含自旋轨道耦合时的量子淬火动力学行为 ，我们发现当淬火参量（外加磁场）初末值不同时，系统的长期渐进动力学行为可以分 为三个不同的相。我们还仔细研究了每个相得拓扑性质，特别是发现了振荡相中存在Florque拓扑行为。2. 我们对基于量子光力系统的热机的做功及其测量做了仔细研究。我们首先通过一 个经典的测量模型，明确了量子热机做功的能量去向问题；而后，我们仔细探讨了两种功的量子测量方案，并分析了测量反作用对热机效率的影响。3. 我们提出了一种基于光力系统的动力学冷却方案，原则上可以将一宏观尺度机械 振子的任意频率振动模冷却至其量子基态。此过程原理与人们日常生活中使用的冰箱的制冷原理非常相似，而光力极化子就相当于制冷器中的冷媒。与目前普遍采用的边带冷却技术相比，“量子冰箱”有一个显著的优点，就是可以冷却机械振子的任意频率的声 子而无需改变整个装置的物理结构。另外，这一装置使得同时冷却多个声子模式至基态 成为可能，这为未来多模量子声子学的研究铺平了道路。