强相互作用费米气体维度过渡效应的实验研究

Dimensionality plays a vital role for exotic many-body phenomena in strongly interacting quantum systems. It has been suggested for decades that studying an experimental system with tunable dimensionality and interaction strength may result in original insights on many-body quantum physics. But this has never been implemented with solid state matter. In this project, the PI will use optically trapped ultracold Li-6 atoms to investigate the evolution of physical properties of a strongly interacting Fermi gas in the 3D-2D crossover. Of particular interest is the dimensional evolution of many-body contact parameters and Tan's universal relations. By tuning the dimensionality of a Fermi gas continuously from 3D to 2D in situ and in real time and changing atomic interactions through a magnetic Feshbach resonance, we will measure the contact parameters by momentum-resolved Raman spectroscopy and test Tan's relations from thermodynamic measurements. The measurements will measure the many-body contact parameter in mixed dimensions, which have never been explored experimentally. The experiments will also test the validity of Tan's universal relations in the dimensional crossover regime of a strongly interacting Fermi gas, in which the dimensional evolution of both band occupation and interparticle scattering happen in one system.

多体量子系统的维度对许多奇异物理现象的形成有决定性的作用，例如层状铜氧化物的高温超导和二维电子气的量子霍尔效应。物理学界一直在寻求一个维度和粒子相互作用都连续可调的实验系统，来对多体物理系统的维度过渡效应进行深入探索。然而这样的想法从来没有在固体物理系统中加以实现。在这个项目中，我们采用量子模拟的方法，把Li-6超冷费米原子气体作为一个模范的实验体系去研究多体物理的维度过渡效应。我们特别聚焦具有普适性质的强相互作用费米气体的 Contact 参数以及 Tan 关系的维度演化。为了这个目的，我们设计了维度可以变换的光学陷阱并利用磁场Feshbach共振来调节费米原子间的相互作用。我们将通过动量解析的Raman 光谱来测量Contact 参数，并测量相关的热力学参量来验证 Tan 关系。这些实验将系统研究能带类型和粒子散射类型两种维度过渡机制，帮助建立精确的强相互作用多体体系的维度过渡理论。

多体量子体系的空间维度对体系中许多新奇物理现象的发生，具有关键作用。它表明多体系统的物理性质是由空间维度与相互作用的复杂关系所决定的。深入了解这些复杂关系，一直是凝聚态物理和多体量子物理的主要研究课题之一。本项目围绕锂-6超冷费米原子气体的相互作用、维度过渡以及自旋耗散开展了研究，建立了从三维到二维过渡的相互作用费米原子气体实验系统，并取得了一系列的创新性成果。我们设计了维度可以变换的光学陷阱，利用磁场Feshbach共振来调节费米原子间的相互作用，提高了光学阱的稳定度，把费米气体转载到了一维光晶格中，可控的实现了占据若干能带的维度过渡的费米气体。我们研究了锂-6超冷费米原子气体的少体物理性质，对费米气体的量子散射进行了精密测量，发现了三体复合过程中范德瓦尔斯力作用下的普适规律。 我们设计并实现了百万分之一精度的精密磁场系统，利用三体复合作用对磁场进行了精密表征，并通过能量依赖的非弹性碰撞，实现了新的原子冷却方法。我们利用能带映射，观测到一维光晶格中原子占据能带的变化，确定了费米气体从三维过渡到二维体系的参数空间，测量了过渡区间的温度和化学势等热力学参数。我们将自旋依赖的耗散引入到费米气体中，实现了超冷原子体系中首个宇称-时间对称的非厄米量子力学演化，为后续研究低维相互作用体系中的非厄米物理建立了实验基础。该项目的完成对探索低维相互作用量子系统中的维度过渡、非厄米演化等新奇物理具有重要意义。