谐振腔中低温原子气体性质的理论研究

Current research in cold atomic gases is mostly restricted within the frame that atoms are interacting through short range potentials. Loading atomic gases into cavities has the potential of realizing long range atomic interactions mediated by cavity light fields. The strong coupling between atoms and cavity light fields has manifested interesting effects in the experiments of the superradiance of BEC loaded in cavities. Our subsequent theoretical study of a Fermi gas of a single species in cavities has revealed that quantum statistics between fermions and bosons gives rise to difference in the condition for superradiance transition. Present proposal plans to study the superradiance transition in a two-component Fermi gas. We will focus on the atomic interaction effects between the two components through the BEC-BCS crossover on the transition. We will also determine the experimentally relevant parameter regime where strong coupling between the cavity light fields and the atomic spin degree of freedom can be realized. Sequentially we will study the superradiance transition driven by the spin correlation of the Fermi gas.

现有的低温原子气体的研究大多局限于原子间短程相互作用的框架内。将低温原子气体载人谐振腔中，有望通过谐振腔中腔光子作为媒介实现原子间的长程相互作用。这种原子与谐振腔中光场的强耦合已在实验上发现的谐振腔中BEC的超辐射现象中展现出奇妙的效应。我们随即对谐振腔中单分量费米气体的理论研究揭示费米子和玻色子的不同的量子统计决定了不同的超辐射转变条件。本项目将研究谐振腔中两分量费米气体的超辐射转变。我们将重点研究分量间的相互作用在BEC-BCS crossover中对超辐射转变条件的影响。我们还将确定在什么样的实验参数空间里，费米子的自旋自由度能和腔光场强耦合在一起，从而研究由自旋关联驱使的超辐射转变。

将低温原子气体载人谐振腔中，通过谐振腔中腔光子作为媒介，原子间会形成有效的长程相互作用，导致新的量子现象，是超越了原本低温原子气体局限于原子间短程相互作用的研究框架。本项目对谐振腔中的原子气体这一复合体系的性质开展了系统的研究。我们的研究成果已整理发表于论文共12篇，包括PRL一篇，Nature Physics一篇，6篇PRA Rapid Communication-其中2篇为Editor’s Suggestion。..我们首先研究了光腔中费米原子气体在Feshbach共振连续调节下通过BEC－BCS渐越的时对超辐射的影响。我们发现，随着原子间相互作用的连续调节，超辐射转变也连续的从玻色统计性质决定变到有费米统计性质决定，强相互作用可以有助于超辐射发生。此成果发表于PRA, 91, 021602 (R) (2015). 我们进一步理论研究了适用Bose-Hubbard模型的玻色原子气体当强关联效应显著时对超辐射的影响。我们发现由于导致Mott-超流体相变的强关联的作用，体系存在四个不同的相：正常超流体相，具有超辐射光的超流体，正常Mott绝缘体和具有超辐射光的Mott绝缘体。此成果发表于PRA 93, 041601(R) (2016)。..以上研究表明原子气体本身所处的状态对超辐射转变至关重要。于是我们开展了一系列从原子气体本身状态入手的研究。最近实验上不断发现原子气体的高分波Feshbach共振。我们首先研究了p波费米气体的多体关联普适性关系，并得到了实验证实，继而建立了p波关联的动力学演化理论。这方面的成果已发表于PRL 115, 135304 (2015)和Nature Physics 12，599 （2016）。我们还在此基础上建立了d波及其他高分波的有效场论模型，成果发表于PRA 95, 043609 (2017) 。..此外，我们还研究了原子间相互作用导致的少体效应及流体力学特性。这些研究结果为进一步研究当原子气体与谐振腔模式耦合时的量子效应提供了基础。