基于密度均匀的强相互作用费米气体的实验研究

Strongly interacting Fermi gases provide model systems in which to study many-body quantum physics. Owing to their excellent tunabilities such as the effective two-body interaction strength, spin polarization, and dimensionality, strongly interacting Fermi gases can be used to simulate many important condensed-matter problems, such as the Hubbard model and high-Tc superconductors. Previous experimental works have been performed in the harmonic trap, with most of the acquired physical quantities being trap-averaged, largely limiting our exploration of their nature. Therefore, in this project, we plan to create an “box trap" with spatial light modulator and produce a homogeneous fermionic superfluid with large atom number and low temperature. In this system, we will firstly measure the closed-channel fraction Z of Li6 Feshbach molecule along the BEC-BCS crossover, and study the relations between Z and fermi momentum and temperature. Then we will investigate the spontaneous vortex nucleation via thermal quench across the superfluid phase transition and explore its critical dynamics. Due to the significant scientific interests of homogeneous strongly interacting Fermi gas, developing the manipulation techniques and implementing the research therein is urgent and important.

强相互作用费米气体提供了一个理想的研究多体物理的平台。得益于它在两体相互作用强度，自旋布居极化率和空间维度等参量上的极佳可控性，强相互作用费米气体可用来实验模拟许多重要的凝聚态物理问题，如哈伯德模型和高温超导。此前，相关实验工作都是在简谐势阱中完成的，势阱的非均匀性使我们获得的许多物理量都是经过势阱积分平均的，极大地限制了我们理解其物理本质。在本项目中，我们计划利用空调光调制器来产生“盒子”装均匀势阱，并将锂原子囚禁其中，从而实现大原子数、低温的密度均匀的费米超流。在此基础上，我们首先致力于实现锂6 Feshbach分子的闭通道布居在不同相互作用强度下的精密测量，揭示其与费米动量、温度之间的对应关系；然后通过“量子淬火”技术，实现费米超流中量子涡旋的自发产生，并利用其完成费米超流相变的临界动力学的相关研究。基于密度均匀的强相互作用费米气体的重要科学价值，本项目的开展具有明显的紧迫性。

超冷费米气体极度纯净，并且原子间的相互作用强度精确可调，因此为研究强关联的多体物理提供了一个理想的实验平台。在本项目的支持下，项目团队发展了一系列先进的超冷费米原子冷却、囚禁与探测技术，包括：锂原子的灰色黏团亚多普勒冷却、编程的高精度原子囚禁势调控等，最终实现了密度均匀的强相互作用费米超流，并且各项指标（温度、原子数、寿命）均为国际最佳。在此基础上，我们实验观测到幺正费米超流中熵波衰减的临界发散现象，为进一步对新型量子材料的反常量子输运现象进行量子模拟奠定了基础。我们精确测量了费米超流的闭通道比例，揭示了强相互作用费米气体中的多体相互作用效应，实验结果和基于配对涨落理论的两通道多体模型的预测定量吻合。我们发展了“量子淬火”技术，实现费米超流中量子涡旋的自发产生，证明了由BKT理论预言的二维涡旋时空动力学的普适性。