超冷玻色气体二维自旋轨道耦合的量子模拟

We will artificially synthesize a 2-dimentional (2D) Spin-Orbit coupling based on Bose-Einstein condensate (BEC) with the combining technique of 2D optical lattices and Raman coupling. 2D Spin-Orbit coupling is the key factor in many of the exotic quantum phenomenon such as the toplogical insulater, Majorana fermions... Study the 2D Spin-Orbit coupling with ultracold atomic gases in extremely important in the field of quantum simulation. It will help to understand the fundamental properties of 2D Spin-Orbit coupling as well as the hiden machanism of the relative exotic quantum phenomenon. The goal of our project is to synthesize the 2D Spin-Orbit coupling in ultracold Bose gas and study the fundamental properties in such a system, including the topology, dynamics and the excitation properties of the superfluid BEC gas with 2D Spin-Orbit coupling. Further, we will explore to generate some new quantum state with non-trival topological features. Our project will widen the capability of quantum simulation.

本项目提出以超冷原子玻色－爱因斯坦凝聚体（BEC）为工作介质，结合2维相位关联的光晶格技术与拉曼－光晶格耦合技术，人工合成二维自旋－轨道耦合规范场。二维自旋轨道耦合是拓扑绝缘体，Majorana费米子等新奇量子现象和量子态的关键所在。利用超冷原子对其进行人工合成和量子模拟对于更好的理解二维自旋轨道耦合的特性，和相应的新奇量子现象的内在机理具有重要的意义。本项目的目标是首先制备2维自旋轨道耦合的超冷玻色气体，并在此基础上对其基本性质进行研究：包括系统的拓扑性质、BEC超流态在2维自旋轨道耦合规范场中的动力学性质和激发特性。进一步的，合成新型的拓扑非平庸的量子态并对其进行量子模拟。

按照研究计划，我们在玻色－爱因斯坦凝聚体基础上，利用两维相位关联的光晶格技术与拉曼晶格耦合技术，实验上人工合成了二维自旋轨道耦合规范场；随后我们优化了拉曼晶格技术，使之成为一个高度可控、稳定、长寿命的系统；在此基础上，通过观测准动量空间的自旋纹理证实了该系统具有非平庸的拓扑相。然后，我们系统性研发了量子淬火动力学技术来获得体系的全部拓扑信息，通过动力学方法将系统从拓扑平庸态淬火到拓扑非平庸态，实验中观察到与拓扑内在关联的圈状结构，即能带反转面，以此方便快捷的判断能带拓扑并精确描绘了拓扑相图；利用能带反转面上的动力学场也获得了淬火后哈密顿量的陈数，并验证了动力学的“体–面”对应，以及观测到了拓扑荷；最后，我们利用棋盘晶格技术推广到三维自旋轨道耦合，并人工合成了有且仅有两个Weyl点的Weyl半金属能带。