基于冷原子气体的中子星物质的量子模拟

In this project, I will attack the long-standing problems of neutron star matter using cold atomic Fermi gases based on the similarity between these two systems, which was pointed out recently. I will approach the final goal by bridging cold atomic gases, nuclear physics, and astrophysics. My major goals are (1) to establish a way to simulate neutron star matter using cold atomic gases towards the true equation of state and of the pairing gap, and (2) to predict and understand new phenomena in neutron star matter through the study of superfluid Fermi gases. Meanwhile, I will also study non-linear phenomena and non-equilibrium dynamics of superfluid Fermi gases, which are at an infant stage compared to that for Bose gases, and pioneer a new research field of driven-dissipative systems of Fermi superfluids. Taking advantage of my expertise in both nuclear astrophysics and atomic gases, I will work with my collaborators from both fields. Specific projects are: A) Controlling the effective range near the Feshbach resonance, which is an important building block for quantitative simulations of neutron star matter using cold atomic gases, B) Study of Fermi superfluids flowing in a periodic potential to understand the properties of the superflow of neutrons in neutron star crusts and predict its new phenomena, and C) Study of quantum turbulence in superfluid Fermi gases to understand the possible turbulent state in neutron stars.

超冷费米原子气体和中子星物质具有很高的相似性。本项目计划利用此相似性来研究中子星物质领域中长期未解决的问题。在此我们将把冷原子气体、核物理以及天气物理结合起来。研究目标包括 (1) 确立用冷原子气体模拟中子星物质的真实状态方程和配对能隙的方法，(2) 通过对费米气体超流物性的研究来预言和理解中子星物质的新现象。同时，我们将对费米气体中的非线性现象及非平衡动力学进行研究。同玻色气体相比，费米气体中的相关研究尚处于起始阶段，因此我们期望以此开辟一个有关费米超流态的受驱动耗散系统的新领域。具体研究课题包括：A) 实现对Feshbach共振附近的有效作用力程的控制， 这是实现冷原子气体定量模拟中子星物质的重要基石；B）研究晶格周期势中的费米超流，来理解中子星壳层中的超流动流的性质，并预言新的现象；C) 研究超流费米气体中的量子湍流，从而理解中子星中可能的湍流态。

贯穿整个项目，我们研究了三个彼此不同但又相互关联的课题：（1）中子星中的超流体特性，（2）超流费米气体的非平衡配对动力学，以及（3）量子系统的热力学。.中子星内部物质的超流体性质是理解中子星各种现象的关键，但由于中子星所处的极端环境，其超流体性质至今还没有得到很好的理解。最近，有人指出中子星内部物质与超流费米气体之间存在着相似性，这为在实验室中研究中子星物质的超流性质开辟了一条新的途径。在本项目的第一个主要工作中，我们基于超流费米气体的理论分析，解决了关于中子星超流体性质和glitch现象的一个重要问题。在项目前期所开展的这项工作已经实现了原计划的主要目标。.在实现了最初的主要目标之后，我们把兴趣转向了另一个相关但更为基本的问题，即量子系统的非平衡现象和热力学，并取得了进一步的成果。我们在p波超流费米气体中发现了新的配对动力学，并且发现了用量子系统来提高热机的性能的量子效应。特别是后者的研究成果在纳米尺度的节能热机设计中有着广泛的应用，并对量子系统热力学的研究产生了影响。.最终，我们在物理学顶级期刊上发表了5篇论文：4篇发表在Physical Review Letters上，1篇发表在npj Quantum Information上。项目负责人在其中4篇论文中做出了主要贡献。这些具有代表性的论文（特别是关于中子星超流体性质的论文和量子热机的论文）在相关领域得到了广泛的关注。