光晶格中自旋轨道耦合超冷气体及腔与里德堡原子耦合体系量子多体物理研究

This project study the exotic quantum state and quantum many-body physics of ultracold atoms confined in optical lattices subjected to spin-orbit coupling and investigate the correlation effects of Redberg atoms coupled to a cavity.?Ultracold atoms confined in optical lattices can simulate complex physics system, and reveal exotic effects in different correlation system. Especially, there may appear interesting physics, such as spin-liqiud, string excitation, and fractionalized charge, spin-vortex, skyrmion, etc. These new phenomena are the basic concepts in solid state physics, and some of them have never been predicted in condensed matter physics. In addition, Redberg atoms achieve great advances recently. Due to the strong dipole-dipole interaction and longtime excitation, they have become the ideal tool for implementing quantum information. This project investigate the correlation effects of Redberg atoms coupled to a cavity, and explore the superfluid photonic phase. At the same time, Redberg atoms have been successfully loaded into optical lattices, which offer a new opportunity to study the string excitation and fractionalized charge in triangle Redberg atoms lattice.

本项目探索冷原子自旋轨道耦合光晶格和里德堡晶格体系的新奇物质态和量子多体问题。光晶格中超冷原子可以用来模拟复杂的物理系统，从而有效地揭示不同关联体系中的新奇量子效应。 特别是，这些体系可能会出现非常有趣的物理，例如量子无序的自旋液体相、弦激发和分数荷、以及具有特殊自旋构型的spin-vortex相、Skyrmion等。这些新的现象有的是凝聚态中十分重要的一些基本概念，为凝聚态提供了一些新的方式和视角来研究这些基本物理，其中有些现象本身就是固体物理中没有出现过的新物理。另外，里德堡原子最近取得了巨大的进展。里德堡激发由于具有很强的偶极相互作用，寿命很长，是操控量子信息非常有力的工具。本项目研究腔与里德堡原子耦合体系的多体关联效应，探索光子的超固体相。同时，由于实验上成功的将里德堡原子装在光晶格里，我们将对三角晶格中里德堡原子来探索弦激发和分数荷。

近年来，随着实验的发展，光晶格中冷原子自旋轨道耦合和腔与里德堡原子体系的新奇物质态和量子多体问题的研究吸引了人们的广泛兴趣，取得了一系列重要进展，比如光晶格中玻色气体二维自旋轨道耦合的实现、里德堡体系的超固态等。在本项目中，我们紧跟理论和实验的进展，针对冷原子自旋轨道耦合体系和腔与冷原子耦合体系的新奇物质态和多体关联效应展开研究。在冷原子自旋轨道耦合方面，我们系统研究了相互作用玻色气体和费米气体在自旋轨道耦合的二维光晶格中的磁性行为，结果表明自旋轨道耦合会导致新的磁性相和相图；我们进一步研究了自旋轨道耦合引起的玻色爱因斯坦凝聚体中的孤子动力学和杂质间的诱导相互作用，结果表现出独特的震荡行为；特别的，我们提出了双层系统中激光辅助隧穿诱导的赝自旋轨道耦合，表明通过选择合适的激光，我们可以实现一维和二维自旋轨道耦合，这一新的方案可以极大的压制加热效应，并导致具有丰富结构的玻色气体基态相图和具有有限动量配对的费米气体FFLO超流等。在腔与冷原子耦合体系中，我们解决了腔中具有吸引相互作用的费米气体两体问题，结果表明，原子光耦合会使得系统处于双原子polariton的原子光纠缠态，并在一定条件下发生从束缚到非束缚的量子转变。随后，我们系统研究了非公度周期势中的玻色气体在光学腔中的超辐射转变，发现非公度势引起的无序会极大的改变超辐射发生的临界条件。随着无序强度的增大，超辐射转变的发生趋势会表现出反直觉的增强，相应的临界泵浦强度逐渐减小并在无序转变点降为0。此外，我们还研究了纯n型半导体镓氮结构中的pn结诱导的整流特性。这些结果揭示了多体关联效应对于冷原子自旋轨道耦合体系和腔与冷原子耦合体系中新奇量子态形成的重要作用，有助于加深量子光学与冷原子物理等方向的研究，对于冷原子量子模拟和调控、量子计算也有着重要的科学意义。