超冷极性分子系综在人造规范矢场作用下的量子态操控

量子态操控的核心是在量子水平上实现可控的人工相互作用。对于超冷极性分子系综，由于它具有较大的永久电偶极矩，实施量子态操控的普遍手段是调节外电场。但是利用外电场的操控容易受环境的影响。本申请项目将在理论上提出操控超冷极性分子系综的新方案并在实验上进行证明。首先，在理论上运用分子之间的可控偶极-偶极相互作用来构造参数空间中的规范矢场。根据已经得到的人造规范矢场，计算超冷极性分子系综多体波函数的整体拓扑相因子并预言相关的干涉效应。控制拓扑相因子或者干涉效应实现低噪声的量子态操控方案。其次，通过控制合适的参数，在超冷极性分子系综实现含有简并能级的Hamiltonian并在此基础上构造Non-Abelian规范矢势并预言新的量子效应。最后，在实验上运用单光子光缔合的方法得到超冷铷铯极性分子系综，并通过测量布居数观察已制备的极性分子系综在人造规范矢场作用下的量子态操控及低噪声量子信息存储。

量子态操控的核心是在量子水平上实现可控的人工相互作用。对于超冷极性分子系综，由于它具有较大的永久电偶极矩，实施量子态操控的普遍手段是调节外电场。但是利用外电场的操控容易受环境的影响。本项目经过3年的努力不但在理论上提出操控超冷极性分子系综的新方案，并且在实验上进行初步探索。所得成果在国内外重要物理期刊上发表SCI收录论文19篇，其中《Phys. Rev. Lett.》1篇，《Sci. Rep.》(Nature 出版社出版)2篇，《Phys. Rev. A》9篇，《Appl. Phys. Lett.》1篇。另外，课题组负责人作为重要学术骨干参加国家重大科学研究计划（2012CB921600）。. 在理论上获得的代表性成果有：（1）利用极性分子的偶极-偶极相互作用构建了手性量子态及非阿贝尔规范矢场。（2）发现非阿贝尔规范矢场（或称为自旋轨道耦合）能有效提高分子缔合效率，并严格证明上述过程在低维空间和有限温度下不存在超流序，并在此基础上通过研究BKT转变获得Majorana费米子在有限温度下的工作范围。（3）提出一种新的微绕方法，解决了当耦合强度小于光子频率的一半时Rabi模型的基态和激发态问题。另外，在该模型中发现一种新的Rabi振荡，其振荡周期反比于驱动幅度。（4）发展一套量子场论方法计算具有分子与分子（或原子与原子）相互作用和特殊人造规范场下超冷玻色气体的热力学问题。在实验可行的参数区间通过控制系统的温度出现分离相到单动量相的转变。而且, 其临界温度不依赖于囚禁势。在临界点上，热熔有一个很大的越变。该越变可以用来度量该热力学相变。(5)通过控制超冷原子或分子的轨道自由度获得一种无耗散、高可控、强耦合的新型自旋相互作用。通过调节Raman激光的Rabi频率，即可实现压缩因子达-30dB左右的自旋压缩。所得成果对于进一步探索超冷原子、分子体系中的大自旋压缩具有启发作用，并有助于设计更好的原子分子钟。. 在实验上发展了一种通过测量磁光阱中超冷原子俘获损耗精确确定超冷分子光致频移率的实验方法，研究了光致频移率对超冷分子布居能态的振动、转动量子数的依赖关系。该结果对精密测量超冷分子振转能级束缚能，以及精确操控振转能级具有重要的物理意义。