强相互作用费米原子气体的非平衡动力学研究

Fermions, particles with half-integer spin such as electrons, protons and neutrons, are the building blocks of matter. When fermions strongly interact, complex collective and novel quantum behavior emerge, which share the very similar properties as electrons in high-temperature superconductors, neutrons in neutron stars or quarks appeared in the early universe. With the controllable atom-atom interaction and external trapped potential, ultracold Fermi gases of atoms provide an ideal, clean, and new type of the system to study many-body physics for strongly interaction. In the project, we will study the non-equilibrium dynamics of strongly interacting Fermi gases by controlling the interaction and trapped potential. The main objects are 1) temporal dynamics in strongly correlated many-body systems; 2) the pair field dynamics when the scattering length is changed faster than Fermi time; 3) quantum adiabatic and nonadiabatic control of many-body states, as well as quantum thermalization; 4) new features of dynamical phase diagrams. The experimental study will serve a benchmark to explore the non-equilibrium dynamics of ultracold Fermi gas and test the most accurate theory in the many-body physics.

费米原子是一种和电子、质子和中微子一样的自旋为1/2的粒子， 它是构成物质的基本要素。当费米原子间有强烈的相互作用时可表现出复杂的多体集体行为 ，和高温超导中的电子，中子星中的中微子以及早期宇宙中的夸克等具有许多相同的特性。超冷相互作用精确可调的费米原子气体提供了一种新的强相互作用物质。 本项目将通过精确的控制原子间的相互作用和原子外加俘获势研究当前多体物理领域内挑战性的问题之一：非平衡动力学。 将主要研究 1）强关联费米原子气体的时间演化；2）当散射长度的变化快于费米时间时，原子配对能带间隙动力学演化；3）费米多体态的绝热和非绝热操控以及参数变化下的量子热化问题； 4）非平衡响应下可能出现超流跃迁相变的新特征。强相互作用的多体系统的普适的时间动力学研究将对理论、计算和实验提供新的机会，测试当前超越平均场近似的量子流体理论和蒙特卡洛数值计算，推动学科的发展，更好理解自然物理规律。

本项目将通过精确的控制原子间的相互作用和原子外加俘获势研究当前多体物理领域内重要的科学问题多体非平衡动力学。 本项目主要研究了 1）发现了强相互作用的费米原子气体的动力学演化；2）研究了费米气体的绝热和非绝热操控以及参数变化下的量子热化问题；3）实现了散射长度的变化快于费米时间时的动力学操控； 4）实现了量子相变以及非平衡响应动力学新特征。本项目的研究成果强相互作用的多体系统的普适的时间动力学将对理论和实验提供新的机会，测试当前超越平均场近似的计算，推动学科的发展，更好理解自然物理规律。