原子腔系统中的新奇量子态

In this program, we focus on the searching of exotic quantum states in cavity QED with cold atoms. By exploring the intrinsic atom-atom correlations, e.g. particle statistics and interparticle interactions, we investigate the ground states as well as the dynamic behaviors of this system. As well known that, the atom-cavity coupling can lead to the forming of superradiance in a Dicke model with many atoms, while the atomic correlations are responsible for many fundamental quantum states like Bose-Einstein condensates and superfluids, respectively. Nevertheless, when these two effects are treated in equal foot as in the current system, the competition between them may give rise to many nontrivial quantum states and phenomena beyond the usual scope. To this end, we start with the two-body problem in a cavity and then to the case with noninteracting gases. Based on these results, we consider more general situations with interacting Fermi gases. Moreover, we discuss a possible realization of a quadratic optomechanical model with cold atoms and the related dynamical behaviors. Our research will open a new way to study the exotic quantum states with this atom-cavity system.

在本项目中，我们主要研究在腔量子电动力学结合冷原子体系的原子腔系统中寻找新奇的量子态。通过考虑原子间内秉的关联效应，比如粒子统计和粒子间相互作用，我们研究这个系统的基态和动力学行为。众所周知，对于多原子Dicke模型，原子腔耦合在一定条件下会诱导体系进入所谓的超辐射相；另一方面，对于冷原子，原子间的关联是产生许多重要的量子态的主要原因，比如玻色爱因斯坦凝聚体和超流体等。然而在原子腔体系，我们需要同时处理这两种效应，他们之间的竞争很有可能会引起许多超越通常视野的非平庸的量子态和量子现象的产生。为了这个目的，我们从原子腔中的两体问题开始，然后考虑无相互作用的冷原子气体与腔耦合的情形。在此基础上，我们研究更一般的相互作用费米气体与腔耦合的情况。进一步的，我们讨论平方光力学模型的冷原子实现及其关联动力学。通过本项目，我们将表明对原子腔的研究为寻找新奇的量子态提供了新的重要途径，具有重要的科学意义。

近年来，随着实验的进展，腔量子电动力学结合冷原子物理的研究吸引了人们的广泛兴趣，取得了一系列重要进展，比如光学腔中单光子强耦合区的实现、Dicke模型超辐射转变的动力学实现等。在本项目中，我们紧跟当前的理论和实验进展，针对原子腔系统的少体和多体问题展开研究。特别关注考虑原子光耦合与原子外部运动及原子间相互作用的相互影响之后，这个耦合体系中可能出现的新奇量子态和动力学行为。具体来说，我们首先求解了腔中具有吸引相互作用的双原子问题，结果表明，原子光耦合会使得系统处于双原子polariton的原子光纠缠态。在一定条件下，调节原子光耦合强度可以诱导基态polariton发生从束缚到非束缚的量子转变。随后，我们系统研究了非公度周期势引入的无序对腔中玻色气体超辐射转变的影响。通过调节无序势的强度，超辐射转变的发生趋势会表现出反直觉的增强，对应的临界横向泵浦强度随之减小并在无序转变点降为0。另一方面，对于轴向泵浦的腔中Raman耦合的玻色气体，通过调节Raman激光的强度，腔场产生的周期势可能与玻色气体的平面波基态相匹配而出现共振激发，形成动量空间的约瑟夫森效应—平面波与条纹相之间的震荡现象。此外，我们也研究了冷原子体系中的自旋轨道耦合效应，比如光辅助双层系统中的自旋轨道耦合及该系统中玻色气体和费米气体基态问题、自旋轨道耦合引起的孤子动力学和杂质间的诱导相互作用等。这些结果揭示了腔与冷原子系统中原子光耦合及原子间的关联效应对于新奇量子态的形成的重要作用，对于量子光学的研究、冷原子量子模拟和调控有着重要的科学意义。