基于光晶格与超冷原子系统中局域场效应的光与原子联合操控

Ultracold atoms in optical lattices provide a versatile platform for highly controlled studies of strongly correlated states of matter, which has important applications in quantum simulation and precision measurement. Generally, there is a widely used assumption that an optical lattice is free of the gases perturbation, and thus a periodic dipole potential will be produced. However, the optical lattice in an inhomogeneous ultracold atomic gas could be deformed by the local field effect, that is, the counter-propagating light beams which constitute the optical lattice could be affected by local variations of the density dependent refractive index. In other words, ultracold atomic vapors should be regarded as evolving optical media even in the case of far off-resonant, especially in high-precision experiments. In this project, we study the quantum dynamics of an ultracold atomic gas within a said deformed optical lattice and the influence of local field effect on relevant precision measurement. On the other hand, we investigate the super-radiant scattering of photons from a Bose-Einstein condensate which is considered as a matter-wave optical grating. Our works will pave the way for getting a better quantitative analysis of optical lattice experiments and shed new light on photon-atom co-manipulation.

囚禁在光晶格中的超冷原子系统现已广泛应用于量子模拟、精密测量等前沿研究之中。光晶格一般被认为是一个完美的周期势，即构成光晶格的相干光场在传播过程中不会受到原子气体的影响，从而可以产生完美的干涉条纹。然而，超冷原子气体会因为其折射率的局域变化而影响光场的传播，从而使光晶格发生形变。我们称之为局域场效应。随着实验精度的不断提高，局域场效应将逐渐突显。因此，即使在远离共振条件下，超冷原子气体也应被视为一种演化的光学介质。本项目将研究超冷原子气体在形变光晶格中的动力学性质，并进一步研究局域场效应对精密测量实验精度的影响。此外，还将从物质波光栅的视角研究玻色-爱因斯坦凝聚体对光场的超辐射散射，进而探讨光与超冷原子的联合操控。

随着原子光学实验的技术进展和精度提高，超冷原子由于其局域密度的变化而影响光传播的现象，即局域场效应，近年来持续受到关注。超冷原子在光晶格中的衍射、光晶格中的物质波孤子、光子气泡、超冷物质在光场中的自组织效应等研究方向都与局域场效应密切相关。在精密测量实验中，光晶格与超冷原子所组成的系统被广泛使用，但是其中的局域场效应往往被忽视。本项目首先研究了超冷玻色原子气体在两种不同方案形成的光晶格中的动力学性质，在不考虑原子之间碰撞相互作用的条件下使用平均场理论进行计算，发现在分束方案中，原子的动量分布始终是对称的，而在反射方案中，原子的动量分布出现了非对称，造成两种方案中超冷原子动力学差异的原因是局域场效应，我们进一步给出了考虑局域场效应的判据和避免域场效应的方法。在此基础上，本项目又对比研究了超冷原子在软、硬光晶格中的动力学演化，发现与硬光晶格情形相比较，超冷原子在软光晶格中的动量分布发生了形变和平移，并且这种平移是红-蓝失谐非对称的，造成这种形变和平移的原因也是局域场效应，我们利用超冷原子的折射率公式对上述现象做出了解释。此外，本项目利用局域场效应的相关理论研究了超冷原子物质波光栅的超辐射光散射。将物质波光栅作为一种可调控的光子晶体，我们发现物质波光栅由于原子集体反冲运动而具有丰富的光学性质。我们详细讨论了物质波光栅的原子个数和动量分布与其反射率之间的关系，发现当形成物质波光栅的原子个数较少时，会出现超辐射光散射，但是随着原子个数的增加，超辐射光散射现象会被抑制，这一结果丰富了对物质波超辐射的理解。本项目的开展对利用光晶格操控超冷原子的动力学演化，光晶格系统中的精密测量，以及利用超冷原子物质波光栅操控光的传播等研究方向提供了理论上的指导。