超冷费米原子气体物理以及冷原子光学晶格研究

费米冷原子气体物理是近几年兴起的介于凝聚态物理和原子分子物理之间的交叉学科。由于冷原子气体中的相互作用强度、配对原子数的差异、配对原子的质量差等参数具有很强的可控性，因此其物理内容非常丰富。尤其是其低温超流性同高温超导电性之间的相似性，令人相信对它们的研究可以对解决高温超导这一跨世纪难题提供帮助。而冷原子光学晶格更是可以用来直接模拟凝聚态系统，从而可以用来为一些难以解决的凝聚态问题提供答案。本人把用以解释高温超导赝能隙现象的配对涨落理论应用与冷原子超流物理并取得了极大的成功。本项目将在已有的基础上，在进一步完善并发展这一理论的同时，研究冷原子气体中的超流转变温度、能隙等如何随参数变化，研究射频谱、集体激发、转动惯量、高速旋转态等，以及原子数和原子质量极化对BCS-BEC crossover的影响。此外，还将研究如何用光学晶格来进行量子模拟。解释层出不穷的新实验，并为实验提供建议。

费米冷原子气体物理是近10年兴起的介于凝聚态物理和原子分子物理之间的交叉学科。由于冷原子气体中的相互作用强度、配对原子数的差异、配对原子的质量差等参数具有很强的可控性，因此具有极其丰富的物理内容。费米冷原子气体及其光晶格更是可以用来对凝聚态系统等进行量子模拟，从而可以用来为一些难以解决的凝聚态问题提供答案。本项目在前期研究及积累的基础上，继续把用以解释高温超导赝能隙现象的配对涨落理论应用于冷原子超流物理的研究，在进一步完善并发展这一理论的同时，研究了冷原子气体中的超流转变温度、能隙等如何随参数变化，并取得了重要成果。具体包括(1)提出了利用自旋极化的费米气体在低温下常见的相分离现象以及动量分辨射频谱技术来准确有效地测量具有核心重要性的空间均匀的费米原子的谱函数；(2)研究了粒子－空穴通道对超流及BCS－BEC crossover的影响，发现其能很大程度上改变Feshbach共振的位置，因此在理论计算和实验数据分析时有必要根据粒子的费米能对共振位置进行修正，否则得到的结果会出现严重误差；(3)把配对涨落理论同其他具有竞争关系的理论进行了比较研究，指出每一理论的优缺点。尤其是这里的竞争理论基本上都继承了Nozieres—Schmitt-Rink理论的缺陷，缺乏自恰性，遗漏了重要的赝能隙现象；(4) 研究了量子Monte Carlo模拟（QMC）中有限的粒子数对其结果的可靠性的影响，指出由于QMC只能在偏离了线性区的较高的密度区进行，其外推到零密度时必然会引入较大的误差。这一结果警示人们不要盲目地相信QMC的结果；(5) 研究了粒子数和质量均出现不匹配时的BCS-BEC 过渡行为，相应于6Li-40K混合气体的情形。计算主要是在势阱中且在有限温度时。由于问题很复杂，国际上还没有人做过。本项目中，我们研究了混合气体的相图及质量比、数量比及势阱频率之比的影响；(6) 对费米－费米混合气体中FFLO态的研究以及(7) 偶极气体中的超流动性的研究等。这些研究处于国际领先，可以为实验提供指导，增加理论上的理解，对费米冷原子气体的研究有重要意义。