自旋-轨道耦合超冷原子气体中的孤子动力学研究

The experimental realization of artificial spin-orbit coupling in ultracold atoms has provided a platform to study the novel macroscopic matter wave phenomena in a gauge field, especially the studies on the novel soliton excitation state and its potential applications will be one of the most important topic in nonlinear science and ultracold atoms physics fields. This project is devoted to studying the dynamics of solitons in spin-orbit coupled ultracold atomic gases. By combining the analytic calculation and numerical simulation, we will study the novel nonlinear topological dark soliton and its properties of low energy excitation in ultracold Fermi gases with spin-orbit coupling, analyze the effects of spin-orbit coupling on the collision of solitons and the dynamics of moving stripe solitons in two-component Bose-Einstein condensate, and explore the novel bright solitons of Bose-Einstein condensate in one-dimensional optical lattice with Raman laser-assisted tunneling, and determine the key physical quantity and important physical mechanism which decides the properties of solitons. Moreover, we will also develop new analytic and numerical calculation methods, and provide the theoretical basis for the experimental observations. This project is not only of great scientific significance to the deep understanding of the novel quantum phenomena caused by the spin-orbit coupling in ultracold atoms, but also promotes the developments of ultracold atomic physics and related disciplines.

自旋-轨道耦合在超冷原子气体中的实验实现为研究规范场中的新奇宏观物质波现象提供了平台，尤其是研究自旋-轨道耦合超冷原子气体中的新奇孤子激发及其潜在的应用价值，将成为非线性科学和超冷原子物理等领域的重要研究课题之一。本项目针对自旋-轨道耦合超冷原子气体中的孤子动力学性质，采用解析计算和数值模拟相结合的研究手段，研究自旋-轨道耦合超冷费米原子气体中的新奇拓扑暗孤子态及其低能激发性质，分析双组份玻色-爱因斯坦凝聚体中自旋-轨道耦合对亮孤子碰撞和运动条纹亮孤子的动力学性质的影响，探索Raman激光辅助隧穿的光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体的新奇亮孤子态，确定决定孤子属性的关键物理量以及重要的物理机制，发展新的解析和数值计算方法，并为实验观测提供理论依据。本项目不仅对深入理解自旋-轨道耦合在超冷原子气体中所导致的新奇量子现象具有重要的科学意义，而且也促进超冷原子物理和相关学科领域的发展。

人造规范势和自旋-轨道耦合在超冷原子量子气体中的实验实现，为探索各类新奇量子态及非线性物质波动力学性质提供了全新的平台。本项目主要研究自旋-轨道耦合超冷原子气体中的孤子动力学性质和新奇量子态及量子相变。取得了以下主要研究成果：（1）系统分析了线性塞曼效应和自旋-轨道耦合对孤子动力学性质的影响，发现塞曼效应将改变基态孤子的动量，并对孤子的运动速度和振荡周期产生影响；（2）研究了双分量玻色气体中环状暗孤子的实时动力学，提出了通过周期性调节原子间相互作用来稳定高环状暗孤子的寿命，为实验实现和制备高维稳定孤子提供了理论依据；（3）提出通过周期性改变自旋-轨道耦合强度，可以平衡原子间的吸引相互作用，进而阻碍亮孤子的塌缩；（4）研究了玻色-费米混合量子气体的基态性质，导出了玻色原子通过交换费米原子而形成的有效RKKY相互作用，并给出了体系的基态量子相图；（5）研究了光学微腔中费米气体的性质，给出了体系的基态相图；（6）研究了自旋-张量-动量耦合这一全新自旋-轨道耦合效应在自旋1玻色气体中所导致的孤子动力学性质，揭示了孤子的运动特性；（7）研究了双组分玻色-爱因斯坦凝聚体的基态性质，发现原子数对体系的相分离-相混合转变将产生影响; (8) 在环状势阱中具有非局域里德堡原子相互作用的自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中，发现体系将展现出手征超固、平面波超固和条纹超固量子态。研究结果有助于进一步确定决定孤子属性和新奇量子态的关键物理量以及重要的物理机制，丰富了对自旋-轨道耦合效应在超冷原子量子气体中所导致的新奇现象的认识。