费米冷原子气体中的非常量子现象

Cold atomic Fermi gases have provided an ideal platform for studying quantum physics and various quantum manybody systems, including condensed matter systems. This is primarily owing to many of their tunable parameters. By choosing suitable systems and parameters, one can study various condensed matter theories and models associated with important phenomena such as high Tc superconductivity, quantum magnetism, and quantum criticality. In addition, one can also construct systems that do not exist or have not been found in nature. In this way, one can study exotic quantum phenomena. On one hand, this can help solve important theoretical issues such as high Tc superconductivity. On the other hand, this can contribute to development of foundamental quantum physics. Here we propose that, based on our current pairing fluctuation theory and previous work, we study exotic quantum phenomena in cold atomic Fermi gases with more than one tunable parameters. We will primarily focus on the behaviors of BCS-BEC crossover under dipolar interactions, the complex phase diagrams and thermodynamic behaviors of unequal mass pairing at finite temperature, physics in low dimension and mixed dimensions, synthetic gauge potentials and topological superfluids. We aim to make theoretical predictions and provide guidance for future experiments, while developing theories and explaining existing experiments.

费米冷原子气体为研究量子物理以及包括凝聚态体系在内的多体量子系统提供了一个理想的平台。这主要得益于冷原子气体中众多的可调参数。通过选择适当的系统及参数，可以研究与高温超导、量子磁性及量子临界等重要物理现象有关的各种凝聚态理论和模型，也可以构造自然界不存在或尚未发现的系统模型，从而研究非常规的新奇量子现象。这一方面可以为解决如高温超导等现有理论难题提供帮助，另一方面可以为量子物理的基本发展做出贡献。该项目计划以现有的配对涨落理论及前期工作为基础，研究同时有几种参数可调的情况下费米冷原子费米系统可能出现的非常量子现象。重点包括偶极相互作用下的BCS-BEC演进行为，有限温度下有异核原子配对时的复杂相图及热力学行为，低维和混合维度问题、人造规范势和拓扑超流体等。争取在发展理论及解释现有实验的同时，同时做出理论预言并为未来的实验提出建议。

费米冷原子气体为研究量子物理以及包括凝聚态体系在内的多体量子系统提供了一个理想的平台，是过去十多年来的一个新兴交叉学科，受到了凝聚态、原子分子物理、量子信息、核物质、天体物理等诸多领域的极大贯注。这主要得益于冷原子气体中众多的可调参数。通过选择适当的系统及参数,可以研究、模拟和构造自然界新奇的或不存在的体系,从而研究非常规的新奇量子现象。这一方面可以为解决如高温超导等现有理论难题提供帮助,另一方面可以为量子物理的基本发展做出贡献。本项目以配对涨落理论及前期工作为基础,研究同时有几种参数可调的情况下费米冷原子费米系统可能出现的非常量子现象。重点包括偶极相互作用下的BCS-BEC 演进行为、有限温度下混合费米气体中的复杂相图及热力学行为、低维光晶格中和混合维度中的费米气体的配对问题、奇异的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）型配对及FFLO超流态的稳定性问题、无序和杂质散射对s波配对以及BCS－BEC演讲行为的影响等。研究表明，(1) 在偶极相互作用下，配对以p波为主，相应的BCS－BEC演进呈现出转变温度Tc的再出现行为及奇异的配对密度波态；(2) 势阱中的混合费米气体可以呈现新奇的三明治结构或反转结构的相分离现象; (3) 混合费米气体中大的质量比有利于FFLO型配对；(4) 配对涨落会彻底摧毁FFLO型超流态这一半个世纪前提出并一直被不断寻找的奇异物态。这是具有颠覆性的科学发现；(5) 混合维度造成费米面的失陪，具有粒子数失配的效果，会导致高度奇异的物理现象, 尤其是与粒子数和质量失陪相结合以后; (6) 强无序或杂质散射可以彻底摧毁超流态而留下能隙，在BCS区导致超流－绝缘体量子相变等。这些发现具有重要的科学意义，加深我们对新奇量子物态的理解。其中大部分结果都是超前于实验的，对于未来的实验具有重要的指导意义。