光晶格中奇异磁性物态的研究

探索光晶格中冷原子系统的各种奇异的磁性物态与相变问题是目前国际科研的前沿领域 ，目前这一方向的研究还处于起步阶段。量子自旋液体态是一种奇异的物态，关于这一物态虽然有理论的预言但还没有实验上的验证。本课题在实验室已有的实验和理论基础上，从理论和实验上探索光晶格中冷原子系统里的磁性相变和超交换作用等磁性动力学问题。在超晶格里通过对各种晶格常数的调节以及对同一晶格原子间相互作用的调节来调整自旋最近邻与次近邻的耦合强度，从而研究冷原子系统中各种可能存在的相变，从实验上验证已有的理论预言。并进一步发展这一方向的理论研究。在现有的实验技术基础上探索对这些磁性物态的新的观测方法。

我们按照计划完成了任务，基本实现了预期目标。.本课题的计划研究目标：在自旋耦合模型的基础上通过调整最近邻及次近 邻自旋间的耦合强度来研究各种磁性相变的特性以及探索新奇物态-量子自旋液体态，并在非均匀外场条件下研究冷原子的磁性动力学问题。.通过3年的努力，我们完成了如下工作：.1) 本部分研究了光晶格中一些磁性现象，我们研究了俘获在一维光晶格中超冷原子两基态间的有效的交错耦合，这种交错的耦合是由外加光场诱导的拉曼过程产生的，对于两精细基态的超冷原子系统，这种诱导的交错耦合可以应用于量子信息处理以及制备反铁磁态。.2）我们提出了在光晶格俘获的两精细基态的冷原子系统中模拟横向交错磁场作用下的两维自旋1/2模型，横向磁场由拉曼过程产生，其强度可以由外加光场调节。伴随着最近邻原子间的可控相互作用，这种光学格子装置能在更宽广的参数范围内研究交错磁场引起的量子磁性现象。.3）我们研究了光学晶格中两组分超冷原子系统中局域自旋波包（局域磁子）的动力学问题，在横向梯度磁场作用下，在铁磁链中产生的局域自旋波包的中心会进行布洛赫谐振，这种谐振可用于探测最近邻原子间的超交换相互作用。.4）我们研究了两个超冷原子的耦合物质波导圆环，提出了超冷原子物质波诱导透明现象，这种现象类似原子系统中的电磁诱导透明现象。同时由于波导圆环的耦合会产生两个劈裂的共振通道，这样会发生 Fyno 类型的干涉现象。.5）我们提出了一种新的实验方法实现次磁阻挫的Kagome 光晶格，可以实现各向异性的 Heisenberg 自旋模型，获得自旋液体基态。具体我们将两组分的超冷原子俘获在二维的三角晶格中，外加光场诱导Ramam跃迁，冷原子两个组分之间会形成一个有效耦合，从而形成 Kagome 光晶格的隧穿。冷原子不同组分间的隧穿可以被外场独立调节，并不依赖与原子间的相互作用。同时通过加强外场，可以获得足够大的自旋间的耦合，进而研究自旋液体基态。.6）课题负责人完成第一作者文章5篇，其中两篇发表在 Phys. Rev. A 上，一篇发表在J. Phys. B上，两篇待发表。课题期间我们组织了一次冷原子领域暑期学校，国际著名学者GORA主讲。另外，我们课题组到国外合作和参加学术会议一次。