光晶格中超冷量子气体的新奇轨道杂化效应

With rapid experimental progress in manipulating orbital degrees of freedom in optical lattices, in particular, fast development in shaken optical lattices, the important role of orbital hybridization there has been unveiled. There are a lot of interesting associated phenomena that have not been explored. Especially, to investigate the mechanism for well controlling the orbital hybridization and the associated exotic many-body effect are still open questions in this field . This proposal will study the mechanism for systematically controlling the orbital hybridization in optical lattices via a symmetry-based method and also the associated exotic orbital physics. The main points of the plan are as follows: (1) To explore the scheme for controlling the orbital hybridization via symmetry-breaking; (2) To study the mechanism of the interaction-induced orbital hybridization; (3) To unveil the exotic orbital quantum state induced by orbital hybridization and the associated quantum phase transitions. The aim of the proposed research here is not only to promote the experimental progress in controlling or simulating the orbital degrees of freedom in optical lattices or solid state materials, but also to advance the discovery of the unexplored orbital phases which have not been found in solid state materials.

随着光晶格中轨道自由度的实验操控技术的日趋成熟，特别是近年来在时间周期调制的光晶格中（shaken lattice）的迅速发展，使得人们意识到光晶格中轨道杂化效应的重要性。然而，关于这方面的研究才刚刚起步，尤其是探寻不同光晶格中操控轨道杂化的一般性原理，以及由轨道杂化所诱导的新奇轨道多体物理效应的问题，仍然是开放的。因此，本项目拟从利用轨道自由度的空间对称性这一独特视角出发，探讨在不同光晶格中，基于操控体系的对称性，来调控轨道杂化的具有一定普适性的理论机制；并深入研究由轨道杂化所导致的新奇轨道多体物理。具体的研究内容包括：（1）探索对称性破缺诱导的轨道杂化机制；（2）研究相互作用调控的轨道杂化机制；（3）探讨轨道杂化所导致的新奇轨道量子态及相关量子相变。通过这些研究以期望推进实验上操控光晶格中的轨道杂化以及模拟固体材料的研究。另外，也对探索固体材料中未发现的新奇轨道量子态有着积极的意义。

轨道自由度作为超冷原子中的重要可调因素之一，近年来脱颖而出成为理论和实验追逐的重点。尤其是轨道自由度实验操控技术的快速发展，使得冷原子中轨道物理的研究呈现出丰富的内涵及多样性。本项目集中探讨超冷原子系统中的新奇轨道杂化效应，主要研究内容涵盖探索对称性破缺诱导的轨道杂化、相互作用调控的轨道杂化等理论机制，并进一步探讨轨道杂化所导致的新奇轨道量子态及相关量子相变。.项目组紧密围绕探索超冷原子系统中的新奇轨道杂化效应来开展研究，遵循项目的实施方案，按照项目任务书的研究计划和目标要求，项目进展顺利，完成了预期目标，主要成果具体如下:（1）构建了光晶格冷原子系统中的手征轨道磁性理论：提出通过“设计”相互作用与空间对称性破缺的联合效应，从而构建了光晶格冷原子体系中的手征轨道磁性理论，为从“相互作用+空间对称性”这一独特视角来理解拓扑与相互作用效应间的联系提供了新的思路，该成果发表在Phys. Rev. Lett.上 [Phys. Rev. Lett. 121, 015303 (2018)];（2）确立了轨道杂化效应诱导奇频超流的新理论机制：提出通过利用时间周期调制的光晶格（shaken lattice），诱导轨道杂化效应进而产生奇频依赖的有效吸引相互作用，从而诱导出奇频超流的新理论机制，该成果发表在Physical Review A 上 [Phys. Rev. A 97, 043607 (2018)]并被选为当期Kaleidoscope推荐文章;（3）预言了拥有高拓扑数的新型轨道杂化拓扑超流：提出了通过施加梯度磁场诱导轨道杂化，进而产生轨道规范场，并预言了在这一新型规范场下，吸引相互作用所诱导的具有高Chern数的新型轨道拓扑超流 [arXiv:2101.03774 (2021)]。另外，为丰富轨道物理的研究，在原有研究方案的基础上，增加了光晶格中自旋-轨道耦合效应的研究，系统探索了相互作用在少体 (两体束缚态) 及新奇多体 (例如，超固相) 等方面的效应 [相关成果: Phys. Rev. A 99，012703 (2019), Phys. Rev. A 102, 033328 (2020)等]。.这些研究将有助于推进实验上操控光晶格中的轨道杂化及模拟固体电子材料的研究。另外，也对探索固体材料中未发现的新奇轨道量子态有着积极的意义。