超冷费米气体中排斥极化子和斯托纳铁磁相的实验研究

Ultracold atomic gases are widely applied to simulate the universal physical properties of other quantum matters in nature and to promote the fundamental physics of novel matters, such as high temperature superconductors, and quak-gluon plasma. In this proposal, we will explore the metastable repulsive polaron and Stoner ferromagnetic phase of a spin-polarized ultracold Li-6 Fermi gas near a narrow Feshbach resonance. In the regime of the narrow Feshbach resonance, the gas exist a long-range interaction, which can overcome the experimental difficulty due to the short-lived repulsive polaron and lead to a long-lived repulsive polaron. The strong many-body interaction of the polaron will be studied in the long-lived samples. Meanwhile, we will also investigate the Stoner ferromagnetic phase of the spin-polarized ultracold Fermi gases, especially the transformation from the repulsive polaron to Stoner ferromagnetic phase. The momentum-resolved Raman spectroscopy method will be employed to fast and presciently detect the metastable phases.

超冷原子气体由于其物理参数高度可控和体系纯净的优势，常用于模拟自然界中其它量子物质的普适物理特性，推动高温超导体以及夸克-胶子等离子体等体系的研究。本申请将在Li-6原子窄费什巴赫共振附近研究自旋极化超冷费米气体的亚稳态，尤其是排斥极化子和斯托纳铁磁相。具有长等效强相互作用距离的窄费什巴赫共振将克服现有试验研究中排斥极化子的短寿命缺点，实现较长寿命的排斥极化子，从而利用这一体系探索排斥极化子转变成斯托纳铁磁相的演化机理。本项目将采用具有动量分辨的拉曼能谱的新颖方法，提高对亚稳态量子相的测量速度和灵敏度。

本项目是基于超冷锂-6费米气体开展的基础科学的实验研究。超冷费米气体在参数调控和测量上具有独特的优势，是一个用于研究粒子相互作用的理想体系。超冷锂-6费米气体具有一个超窄的s-波费什巴赫共振，提供了研究原子相互作用的良好的条件。不同于以往研究的宽费什巴赫共振，它的原子间相互作用势阱不能等效成零宽度，而是需要引入一个非常大的等效长度来改进原子间的s-波的散射相互作用，因此在超窄费什巴赫共振区间研究原子的项目作用具有较大的意义。本项目提出在锂-6原子的超窄s-波费什巴赫共振区间开展超冷费米气体的亚稳态研究。经过三年的研究，本课题在项目的大力资助下开展了以下一些重要的工作，并取得了相应的重要成果：1. 在中山大学搭建了全光的超冷锂-6费米气体实验装置，并在该系统上增加了高精度的精密磁场系统，这为后续的多个科学研究提供了重要的基础。值得指出的是，本项目资助下实现的精密磁场的相关技术被国内知名科研机构采用，并计划应用于空间站冷原子实验中。2. 对超窄费什巴赫共振区间的分子亚稳态进行了详细的研究，特别是在分子亚稳态与原子的量子少体相互作用的测量上开展一些重要的工作。本项目研究发现，超窄费什巴赫共振区间的三体相互作用能够同时原子冷却和加热，另外还发现三体项目作用满足散射长度的标度率和能量的正比关系。我们还运用三体项目作用发展了一种测量精密磁场响应的有效方法，提供了更为准确的磁场动态信息给后续的实验测量研究。在项目中，我们还发现窄费什巴赫共振区间强的三体相互作用限制了超冷费米气体的温度减低，并大大减低了极化子的寿命，进而影响了相关的研究。最后本项目发表了论文三篇，申请发明专利一个，还有一些工作在审稿和准备中，总结来说，项目达到了预期。