自旋轨道耦合超冷镱原子中的集体模式激发研究

With the development of optical lattice and spin-orbital coupling based on Raman two-photon process, quantum simulation in ultracold alkali metal atom has made significant progress. However, the short life time of alkali atoms stop certain studies in such system. The two valence electron rare earth atom Ytterbium has both bosonic and fermionic isotopes and possesses rich energy level structure, which earn itself the attention from this field. Comparing to alkali metal atom, Yb atom has larger hyperfine splitting and tiny ground state magnetic moment and hence has potentially much longer life time in the quantum simulation experiment. This project plans to conduct the following research in Yb-173 degenerated Fermi gas: (1) Developing dual-shell magneto-optical trap, preparing ultracold Yb173 degenerated Fermi gas with large atom number and manipulating both the degree of quantum degeneration and the energy of Fermi surface. (2) Optimizing the single photon detuning in the Raman two-photon process, obtaining 1-dimensional spin-orbital coupling with long life time. (3) Exploring the dependence of dipole mode oscillation of atomic cloud on the strength of spin-orbital coupling, Fermi surface energy and degree of the quantum degeneration, paving the way for the study of interaction in spin-orbital coupled degenerated Fermi gas.

基于光晶格和拉曼双光子自旋轨道耦合技术，量子模拟研究在超冷碱金属体系中取得了重要进展，但是较短的原子寿命成为该类研究的制约因素。双电子稀土金属镱原子（Yb）因为具有玻色和费米子同位素以及丰富的电子能级结构，获得了广泛关注。与碱金属原子相比，镱原子具有的较大的超精细能级劈裂和极小的基态磁矩，使得其在量子模拟实验研究中可以具有较长的寿命。本研究以镱173费米同位素为基础拟开展以下研究：（1）发展双层磁光阱结构，制备大粒子数目的超冷镱173简并费米气体，实现对简并费米气体的简并度和费米面能量的有效调控（2）通过优化拉曼过程的单光子失谐量，在镱173简并费米气体中获得长原子寿命的一维自旋轨道耦合（3）研究体系集体模式激发中偶极振荡对自旋轨道耦合强度、简并费米气体的费米能量以及简并度的依赖关系，为进一步研究自旋轨道耦合简并费米气体中的相互作用奠定基础。

基于光晶格和拉曼双光子自旋轨道耦合技术，量子模拟研究在超冷原子量子简并中取得了重要进展。大数目的超冷原子团、可调节的原子数目、高质量的量子操控以及测量技术是进行量子模拟实验研究的基础。因此，本项目通过发展新的实验技术对上述方面进行探索。项目按照既定目标和研究内容，我们发展了双色磁光阱相关技术，首先实现了玻色子同位素的超冷原子量子简并，实现了一套粒子数目可调的超冷原子量子简并气体系统。通过微波、光场等相干操控，实现了冷原子的量子态制备和调控，进一步实验实现了拉曼双光子过程的自旋轨道耦合，。通过优化拉曼过程的单光子失谐、拍频锁相以及采用单光纤传输拉曼光，实现激光光束的光强稳定和相对相位稳定，进而获得长寿命的带自旋轨道耦合超冷原子量子简并气体。基于超冷原子，我们开展了一系列量子相干操控研究，在高效率量子相干接口、量子态测量和量子纠缠表征以及量子波函数时域操控等方面都取得了重要进展。在超冷原子的光学偶极阱中，进行了超冷原子的集体模式激发探测，测量了光学偶极阱的阱频率。基本完成了研究计划的内容，目前技术实现了镱原子和铷原子的玻色子同位素超冷原子量子简并以及相关研究的验证。目前，我们正将超冷原子的制备技术用于制备费米子同位素的超冷原子量子简并，上述量子相干操控技术均可以用于开展费米子同位素中计划的研究内容。