利用偶极量子气体对二维Ising自旋模型进行量子模拟的研究

Quantum gases, composed of ultra-cold atoms or molecules, have become an important field of modern physics, which promise quantum simulations of various complicate physical systems. The highly developed experimental techniques of manipulating quantum gases allow and more importantly, urge more flexible simulation proposals. Upon such request, this project aims at a new strategy for simulating the triangular Ising spin lattice by quantum gases confined in a two-dimensional optical superlattice. Based on the pseudo-spin mapping, the new strategy can realize effective models of a pure spin lattice as well as mixed systems composed of spins and vacancies. These models allow simulating various fundamental spin effects, such as two-dimensional magnetic domains as well as spin polaritons, which can hardly be realized in the existing proposals. Given that, this project will broaden the scope of quantum simulations based on quantum gases.

由超冷原子或超冷分子组成的量子气体是当前物理学研究的一个重要分支。量子气体研究的一个主要方向是对复杂的物理系统进行量子模拟。量子气体实验技术的发展一方面为量子模拟提供了一个广阔的平台，同时也要求在理论上设计出针对更多复杂系统的模拟方案。基于这种需要，本项目拟在理论上研究并实现利用囚禁在二维光学超晶格中的偶极量子气体对二维Ising自旋模型进行量子模拟的方案。利用空间贋自旋映射，本方案将诱导出等效的三角晶格Ising自旋模型，并通过调节晶格中超冷原子（分子）的填充数实现对单纯的Ising自旋模型和（自旋+空穴）复合模型的量子模拟。这一方案能够实现实验上可行的对二维自旋系统的量子模拟，并研究相关系统中的多种自旋现象。利用本项目设计的等效模型可以实现对二维磁畴和自旋极化子的量子模拟，这些自旋现象目前尚没有有效的量子模拟方案，因而本项目的研究可以拓展基于量子气体的量子模拟的范畴。

超冷原子系统因其具有丰富、可操控的自由度以及易于裁剪的哈密顿，逐渐成为对凝聚态、高能和宇宙学等领域进行量子模拟的理想平台。本项目利用光学超晶格中的冷原子开展了对多种自旋系统的物理现象进行量子模拟的方案研究，为拓展晶格冷原子系统在量子模拟方向的应用进行了积极的积累和储备。本项目的主要研究结果包括：.1.在一维双阱超晶格中实现了对掺杂自旋系统的量子模拟方案，并模拟了自旋极化子的产生和相互作用以及自旋-电荷分离等物理现象；2.在二维梯子型超晶格中实现了各向异性自旋系统的模拟方案，并在该等效自旋系统中发现了一类新的具有天然（即无需含时外场调制）自旋-轨道耦合性质的准粒子；3.在一维双阱超晶格中实现了利用周期激励制备等效的自旋单态和三重态团簇等纠缠态的方案，并为简并态有选择的共振激发提供一套基于宇称保护的解决方案；4.在一维光晶格系统中将Bloch振荡推广到高阶梯度势作用下的情形，解析得到这一类广义Bloch振荡的频谱性质，并据此设计了包括Casimir力在内的多种高阶势场的原位测量方案。.本项目执行期间，在Phys. Rev. A上发表论文2篇，另有2篇文章准备投稿。