基于碱土金属原子气体的量子仿真和应用

近年来，随着原子气体冷却囚禁和量子调控技术的发展，冷原子物理的研究范围大大扩展，与精密测量、凝聚态物理和量子信息等学科的联系也日益紧密。碱土金属原子气体由于其自身独特的能级结构和光谱特性，在时频基准研究中起着不可替代的作用。不仅如此，光晶格束缚下的超冷碱土金属原子体系在复杂物理现象量子仿真以及量子信息领域同样有着广阔的应用潜力。本项目旨在抓住当前碱土金属原子气体研究的机遇，开展基于光晶格装载下的超冷碱土金属原子气体的量子仿真以及在量子信息科学中的应用研究。着重研究与近藤效应、RKKY机制和阻塞效应等相关物理现象的量子模拟和应用，同时探索光晶格中碱土金属原子气体的新的量子调控技术。

（类）碱土金属原子已经广泛用于时频的精密测量，并正为基于超冷气体的量子仿真提供一种崭新的实验平台。在本项目中，我们用超冷（类）碱土金属原子气体（锶、镱和汞等）研究了多种与近藤效应相关的物理现象和应用。当双轨道间自旋交换相互作用很强时，我们预测在正方形光晶格内近藤单重态准粒子的一种回旋轨迹，出人意料地显示出这种总自旋为零的复合粒子具有量子自旋霍尔效应的行为。进一步地，我们研究了无序光势场对光晶格和简谐势阱囚禁下超冷碱土金属原子气体产生的效应，发现近藤绝缘相和能带绝缘相可以转变成金属相，整个体系的可压缩性也发生显著改变。此外，我们还提出一种用单色532nm光晶格同时囚禁碱金属和碱土金属原子的新技术，用它可以较容易地实现混合量子气体的复杂量子相。我们也为中性汞原子的实验研究提供了理论支持，特别是激光冷却和囚禁以及激光光谱。这些结果为基于超冷碱土金属原子气体的凝聚态现象量子仿真提供了新的研究思路。