旋量冷原子体系的关联和干涉现象

本项目着重于旋量凝聚体的多粒子关联、自旋动力学和量子干涉现象的理论研究，揭示其中新的物理现象，为量子多体理论和基于冷原子体系的与自旋相关的输运和量子计算的实际应用提供坚实的理论基础。.近年来由于冷原子体系制备技术和实验探测手段的飞速发展，旋量凝聚体已成为其中的一个热点领域，为研究量子力学中关联和干涉现象提供了可以精确调控的平台。本项目将针对旋量凝聚体的丰富的自旋结构和相图，建立模型，有效地处理多粒子和自旋关联效应，并发展相关的数值计算方法。在此基础上，研究旋量凝聚体涡旋态的产生、调控和物理特性，自旋混合中的量子涨落和退相干机制，分步凝聚和KT转变，具有长程磁耦合的旋量凝聚体的量子干涉现象，以及受限体系的与自旋相关的量子输运和强关联性质等前沿问题。

针对冷原子物理学的前沿热点方向，在旋量凝聚体的涡旋态性质、混合物基态及其激发谱、自旋-轨道耦合和量子相干等课题进行理论研究。主要创新成果包括：.1.旋量凝聚体的涡旋泵浦及量子力学叠加态的产生机制研究。如何产生一个具有高度纠缠的叠加态是一个具有挑战性的热点问题。冷原子体系由于其相当长的相干时间，而成为研究量子相干特性的理想候选者。我们提出了一个在旋量冷原子凝聚体产生叠加态的方案，它是由两种具有高流速的、流向相反的环流叠加而成。系统研究了产生这种环流的泵浦机制，提出了一个实验上可行且高效的方案。并通过数值模拟验证了这个方案的可靠性。.2.旋量凝聚体混合物基态及其激发谱的研究。旋量凝聚体混合物的物理特性的研究处于刚起步阶段。我们研究了了弱磁场对旋量凝聚体混合物基态性质的影响。发现同种原子之间与不同种原子之间的相互作用，以及线性的塞曼效应之间的相互竞争将导致基态出现一种轴对称性被破缺的新奇相。在此基础上计算了不同相的激发谱。对于轴对称自发破缺相，体系存在三支Goldston模式。.3.旋量凝聚体的自旋-轨道耦合效应。冷原子体系的自旋-轨道耦合效应是当前冷原子物理的一个研究热点，而旋量凝聚体特有的与自旋相关的相互作用，和自旋-轨道相互作用一起将导致更为丰富和新奇的物理效应。我们研究了具有自旋-轨道耦合的自旋为2的旋量凝聚体的基态性质，对于自旋为2的旋量凝聚体独有的cyclic态，发现自旋-轨道耦合可以导致自旋分量的态密度呈现四方和三角晶格结构，并随着轴向非对称性的增加，两种晶格结构可以相互转化。.4.两种组份自旋为1的旋量凝聚体的量子纠缠特性的研究。在我们以前的工作中，通过平均场近似的方法得到了两种不同的自旋为1的旋量凝聚体的基态相图。在本项工作中，我们超越了平均场近似，得到体系完全的量子自旋模型，并通过对角化的方法得到体系的基态。并且系统研究了两个组份间的纠缠随组份间的自旋交换相互作用和单态配对相互作用的依赖关系，并找到了其中的最大纠缠态。.5.具有磁偶极相互作用的旋量凝聚体中的宏观量子相干现象的研究。我们发现磁偶极作用、自旋交换作用及外加的各向异性势阱的共同影响，可以导致具有双轴对称性的量子磁体。发现在沿体系的难磁化轴方向上的外磁场作用下，体系的隧穿能级劈裂随外磁场振荡。依据这个重要结果，设计了一套实验上可行的方案，通过测量每个自旋分量上的原子数目以探测宏观量子相干现象。