二维超冷玻色混合气体中量子液滴的实验研究

Quantum droplets, a kind of quantum liquid, can be created in ultracold atomic system via the quantum fluctuation. This new kind of quantum matter have several peculiar properties: they require no external confinement; they are macroscopic zero-temperature objects thanks to the self-evaporative cooling based on their special excitation spectrum; their bulk density is insensitive to the atom number while highly depends on the interaction strength, which makes quantum droplets an ideal platform with controllable uniform density for the studies of inelastic processes. In this project, by imposing optical lattices, quantum droplets will be created in a hetero-nuclear Bosonic mixture in quasi two-dimensional system and three-dimensional to two-dimensional crossover, and the properties of the quantum droplets will be studied. This study is significant for the understanding of quantum fluctuation and quantum liquids in lower dimensions.

利用量子涨落效应可以在超冷原子系统中制备液态的量子系统——量子液滴。这种新的量子奇异态有别于常见的处于气体的玻色爱因斯坦凝聚体，具有许多独特的性质：不依赖于外界束缚势而存在；具有特殊的激发谱并且可以利用自蒸发的性质制备零温的宏观态；体密度对粒子数不敏感而对相互作用强度敏感，从而可以利用量子液滴制备密度可控的均匀系统来研究各种非弹性过程等。本项目将利用光晶格在异核玻色混合气体中制备准二维和三维—二维交叉系统中的量子液滴并研究其性质。此研究对于理解低维系统中量子涨落和液态量子系统具有重要意义。

量子存储是量子计算和量子通讯的重要研究课题，实现长相干时间是实现高品质量子存储的基础。本研究利用稀土掺杂离子系统实现了13小时的相干时间。在研究中，首先利用超低温抑制稀土离子与声子的相互作用，延长稀土离子基态超精细能级的寿命，然后将外界磁场调节到合适的大小和方向， 从而得到类似于钟跃迁的效果，使得特定的超精细能级间的跃迁的受到外界磁场的扰动的影响大大减小。同时，在高磁场下，由于稀土离子与环境核自旋之间的磁偶极相互作用，冻核效应可以抑制环境核自旋之间的相互翻转，使得环境磁场扰动减小。利用这两种效应，可以将自旋回波相干时间延长到40秒。再利用动态解耦的方法，系统的相干时间可以达到13小时，超过了已经发表的其他系统取得的最长相干时间。本项目还测量了自旋回波相干时间随着磁场大小，稀土离子掺杂浓度，以及温度的变化，并利用理论模拟定量的解释了实验观测到的现象。