旋量玻色气体的新奇量子态和动力学研究

Spinor Bose gases form a family of quantum fluids manifesting both magnetic order and superfluidity. They serve as the starting point for understanding low-energy dynamics, spin textures, and topological defects, effects of magnetic-dipole interactions, and various nonequilibrium collective spin-mixing phenomena. Due to their interactions, components, dimensions, the controllability of external potential and other parameters, the spinor Bose gass are also considered to be an ideal artificial modulated condensed state systems. In this project, we choose the spinor Bose gases, such as 7Li(F=1), 23Na(F=1), 41K(F=1), 87Rb(F=1, 2, 1/2), 52Cr(F=3), Dy(F=8), Er(F=6), as the research platform. We will consider the effect of spin-orbit coupling, fast rotation, the dipole interaction, the Rabi coupling, and explore systematically the various novel topological excitations and the physical mechanism of the singular quantum phase in the spinor Bose gases. We will further study the spin mixing instability in the mixed quantum gas. The mechanism and universal mechanism of the spin mixing instability would be revealed. The spin mixing oscillation and the coarsening dynamics of spin Bose gas would be studied in the quenching process. We would explain systematically the physical mechanism of singular quantum phase transition in the coarsening and equilibrium process. This project will enhance our understanding about the spinor Bose gases.

自旋玻色气体是一种具有磁性和超流动性的量子流体。它是理解低能动力学、自旋织构和拓扑缺陷、磁偶极相互作用以及各种非平衡的集体自旋混合现象的载体。同时，由于其相互作用、组份、维度、外势等参数的可调控性也被认为是一种理想的人工调制凝聚态系统。本项目将选择7Li(F=1)、23Na(F=1)、41K(F=1)、87Rb(F=1，2，1/2)、52Cr(F=3)、Dy(F=8)、 Er(F=6)等旋量玻色气体作为研究对象，考虑自旋-轨道耦合效应、高速旋转效应，偶极相互作用，以及Rabi耦合效应等，系统性探索旋量玻色气体中的各种新奇拓扑激发和奇异量子相的物理机制；研究混合量子气体中的自旋混合不稳定性，揭示其自旋混合不稳定性的机理和普实规律；研究自旋气体在淬冷过程中的自旋混合振荡和粗化动力学，系统地阐明粗化与平衡过程中的奇异量子相变的物理机制。本项目将促使我们更全面的认识旋量玻色气体这个系统。

自然界有为数不多的几种量子流体，它们的宏观特征直接来源于量子相干。在这些流体中，具有非平凡的内部自由度的流体更为罕见。超冷原子物理学为我们提供了一种新的流体家族——自旋自由度的简并玻色气体。这些所谓的“自旋气体”受到磁性和超流动的相互作用，这两者都涉及量子相位相干性、长程有序性和对称破缺性。由于这些原子气体可以从简单的理论框架出发来描述，而且它们的性质可以很容易地在实验中被操纵和测量。所以它们被公认为最好的量子模拟平台。.针对量子流体这一体系，我们研究了与光腔耦合的自旋玻色约瑟夫森结的平均场动力学。我们绘制出了自旋玻色约瑟夫森结的相图，通过相图发现自旋玻色约瑟夫结相比裸结情况多出了四种运动模式的组合。自旋轨道耦合强度和弱原子相互作用能可以增加系统的稳定点，使运动模式个数增加。可以通过这种自旋原子腔体系对各种动力学量进行高精度的控制，来拓宽量子测量和量子态的研究。.我们研究了在 Rashba 型自旋轨道耦合作用下,转动自旋2玻色爱因斯坦凝聚体中的拓扑相变。通过将正则角动量与相分离程度这两个物理量作为“探针”,可以精确的操控五分量铁磁相玻色爱因斯坦凝聚体中的拓扑相变。Anderson-Toulouse 涡旋、偶极-涡旋等新奇的拓扑激发态首次在五分量玻色爱因斯坦凝聚体中被预测,并且将这些新奇的量子态归纳在转动与自旋轨道耦合作用下的相图中。 .我们还研究了零温下具有Rashba自旋轨道耦合的二维质量不等费米气体中的拓扑超流相图。由于质量不平衡、配对相互作用和自旋轨道耦合之间的竞争，使得热力学势存在双势阱结构，影响了粒子配对的状态，并且改变系统基态的性质。.通过该项目，我们已经在物理学科领域知名杂志Physical Review A等发表科技论文8篇；毕业博士研究生2名、硕士生5名，培养博士后3名、江西省青年井冈学者1名；申请人参加国内外重要学术会议约30多次，给出邀请报告约9场，在江西理工大学组织全国性重要学术会议3场。并获2021年度江西省自然科学二等奖。