玻色气体中的自旋轨道耦合效应的模拟和应用研究

This project focuses on the theoretical invesitgations of simulation of spin-orbit coupled physics in ultracold bosonic quantum gases, including proposal of relevant spin-orbit coupling Hamiltonians, the phase transition physics, and its possible applications realted to quantum optics. Spin-orbit coupling plays important roles in interdisciplinary areas of physics. Many novel physics can be attributed to this effect. While in traditional material systems, spin-orbit coupling is mainly considered for fermions. It is the ultracold atomic gases which provides an ideal testbed to study such interesting physics in bosonic systems. Based on our previous research background in quantum optics, in this project, we will consider to propose theoretical schemes for the relevant spin-orbit coupling Hamiltonian which we think are of paticular importance. For typical spin-orbit coupled effect, the ground states may support various exoctic states, and phase transition behaviors will be studied. Finally, the impact of spin-orbit physics on quantum optics system, including its analogy to spin Hamiltonian, and the possible applications, will be considered.

本项目着重研究自旋轨道耦合玻色气体中的量子模拟、相变及相关的应用研究。自旋轨道耦合在不同的物理领域均有丰富而又重要的理论和应用价值。由于传统的材料系统主要关注的费米系统，而对于玻色系统，相关研究较少涉及，研究其在冷原子中模拟和相变对于进一步丰富该系统中的物理有很大的补充作用。本项目中，我们结合在量子光学中的研究背景，考虑自旋轨道耦合，特别是对于具有特殊物理性质的耦合作用在原子系统中的物理实现机制，并以此为基础,利用数值和理论相结合的方法研究其中的奇异量子态，以及对应的相变问题。进一步地，我们将考察自旋轨道耦合冷原子系统与量子光学体系之间的类比和耦合，并讨论与之相关的应用问题。

本项目中，我们集中研究了玻色系统中的自旋轨道耦合效应的模拟、调控，以及与之相关的应用等。传统材料系统的很多特性与电子（费米子）的自旋轨道耦合行为有关。而在冷原子量子气体中，玻色原子的自旋轨道耦合可以通过激光诱导的方法调控，故近年来受到学界的普遍关注。另一方面，光子作为另一种重要的玻色系统，其特有的调控自旋和轨道角动量的手段，为开发相关的可能应用提供了可能。本项目中我们集中讨论这两种不同玻色系统中轨道角动量自由度所导致的新的物理效应。..在玻色量子气体中，我们研究了自旋轨道耦合可能诱导的新的涡漩量子态；我们提出了一种在大自旋的原子系统中实现人造磁单极场的方案，可以用原子来模拟电子在磁单极场中的行为，并可以类比球面上的量子霍尔效应模型。在晶格系统中，我们还讨论了阻挫跃迁对体系相变的影响等。这些研究为在冷原子系统中发展新的调控手段，为研究新的物理内容及寻找的新的物质相提供了可能的实验方向。..在量子光学系统中，我们提出了一种可以在单个光学腔中利用光子的轨道角动量实现1D晶格模型的方案，这个虚拟的1D晶格是以光子不同的轨道角动量来标记格点位置的。同时，作为原子、光子系统的交叉，我们研究了光腔和原子复合系统中的调控问题，讨论了如何在光腔系统中模拟冷原子Bose-Hubbard模型的方案，以及如何构造原子与原子之间的自旋相互作用，从而制备出可以实现高精度测量的多体量子态等。这一研究为拓展光子系统的物理内容、及构造新的光学器件提供了理论指导。..到项目结题为止，已在国际重要学术刊物上正式发表与项目相关的学术成果10篇，包括PRL３篇，PRA(B)６篇。目前尚有２项与本项目相关的研究课题已基本完成，论文已在撰写中。