原子旋量量子气体的轨道物理研究

Atomic spinor quantum gas, due to its high controllability and adjustability nature, has provided us an ideal environment to do quantum simulation. Further, due to the associated spin-dependent interactions between atoms, spinor quantum gas has demonstrated a large number of spin-related novel physical effects. On the other hand, we know that the orbital degrees of freedom can also significantly alter the physical properties of the system. For example, due to its anisotropy, the orbital degrees of freedom play a central role for magnetism, superconductivity, and transport properties of the materials. Therefore, it can be expected that the interplay between the spin and orbital degrees of freedom will lead to richer novel physical effects...In this project, we intend to further investigate novel physics induced by the interaction between the spin and orbital degrees of freedom in atomic spinor quantum gases, especially topological related effects. Technically, we will use different means, such as introducing a long-range interaction by applying Rydberg addressing, synthesizing a spin-orbit coupling, or putting fermions in a Bose system. Specific studies include the following aspects: (1) Rydberg addressing in spinor quantum gases; (2) Spin-orbit-coupled spinor quantum gases; (3) Topological nontrivial periodic magnetic lattices; (4 ) Spinor Bose-Fermi mixture in optical lattices.

原子旋量量子气体具有非常良好的可控、可调等性质，目前已经为我们提供了一个非常理想的环境来实现量子模拟。进一步，由于原子间与自旋相关的相互作用，旋量量子气体已经展现了一大批与自旋自由度有关的新颖物理效应。另一方面，轨道自由度也是可以显著改变系统的物理性质。由于轨道的各向异性，它已经对材料的磁性、超导和输运等性质产生了重要的影响。因此，可以预见自旋和轨道自由度之间的相互影响必将导致更加丰富的新奇物理效应。..在本项目中，我们拟深入研究原子旋量量子气体中自旋和轨道的相互影响所诱导出的新奇物理，特别是一些跟拓扑相关的物理效应。技术上，我们将采用不同的手段，比如通过里德堡缀式引入长程相互作用，引入自旋轨道耦合，或者在玻色系统中引入费米子。具体研究内容包括以下几个方面：（1）旋量量子气体的里德堡缀式；（2）自旋轨道耦合的旋量量子气体；（3）拓扑非平庸的周期性磁格子；（4）光晶格中的旋量玻色费米混合物。

在本项目中,我们仔细研究了原子旋量量子气体中自旋、轨道及其相互作用诱导出的新奇物理。主要结果如下：（1）与实验组合作，在实验上部分实现了我们提出的在中性原子中利用磁场梯度脉冲实现自旋轨道耦合的方案，也进一步利用谐振子共振来增强自旋轨道耦合的强度；（2） 基于双光子拉曼光耦合合成有效自旋轨道耦合的方法，提出了可以在冷原子系统中实现拓扑光学通量晶格的新方案；（3）发现了光晶格中的手性p-波超流中存在狄拉克型玻色准粒子激发，提出通过简单的破缺相反手征格点的晶格元胞对称性以实现拓扑相变和实现受拓扑保护的边缘激发；（4）发现一大类可以实现由相互作用诱导出拓扑玻色准粒子激发的系统，其背后的机制是由于单粒子能谱具有特殊的二次型；（5）提出了一种通用方案，通过周期驱动以诱导不同原子间的共振自旋交换；（6）提出了拓扑奇宇称费米子超流的实现方案。