人造规范势中冷原子的新奇量子态及动力学研究

Since D. Jaksch and P. Zoller proposed the scheme to produce the synthetic gauge fields by using interaction between laser and cold atoms, the cold atoms in synthetic gauge fileds has been becoming the key research content in the field of the interaction between light and matter. The synthetic gausge fields play ensential roles in many interesting phenomina, such as quantum Hall effects, qantum spin Hall effects, topological superfluidity, Majorana fermions,etc. Based on the detailed survey report on the research difficulties and possible solutions in this field, the present project will focus on the novel quantum states and the dynamics induced by the synthetic guage fields, including the topological superfluidity, the atomic spin-Hall effects, p-wave paired superfluidity and Rashabons superfluidity in the fermion systems; the novel states and dynamics in Bose-Einstein condensates induced by the synthetic gauge fields, the dynamical properties of cold atoms under the zero or finite temprature, such as the Bose-Einstein condensate depletion induced by the spin-orbit coupling interactions, the evolution of vortex, collctive exctations, the stabilities of Bose-Einstein condensates; the extotic physics of cold atoms in optical lattices, such as the quantum spin-Hall effects, the Mott transition and the exotic magnetic quantum phases.

自2003年D. Jaksch 和 P. Zoller提出在冷原子中产生人造规范势以来，人造规范势中的冷原子逐渐成为光与原子相互作用领域的前沿课题和研究热点。由人造规范势产生的阿贝尔规范场和非阿贝尔规范场在诸多领域中都发挥着重要的作用，例如量子霍尔效应、自旋霍尔效应、费米子拓扑超流态以及Majorana 费米子等。在详细调研本领域存在的科研难点及相应解决方案的基础上，本项目集中研究人造规范势中冷原子的新奇量子态和动力学，主要包括人造规范势中费米子系统、玻色子系统和光晶格冷原子系统中的新奇量子态、量子相变及其动力学，例如拓扑超流、费米子的p波配对、自旋-轨道耦合主导的Rashabons超流、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、涡旋的演化、集体激发和低能激发以及凝聚体的耗散、稳定性等。

自2003年D. Jaksch 和 P. Zoller提出在冷原子中产生人造规范势以来，实验上已经在超冷玻色和费米气体中实现了人造规范场，规范势中的冷原子逐渐成为光与原子相互作用领域的前沿课题和研究热点。我们在超冷费米气体、超冷玻色气体和光晶格中冷原子等领域，围绕自旋-轨道耦合和强关联等效应展开了研究，取得了重要进展，获得了一些创新性成果。发现了自旋-轨道耦合可以导致非平庸拓扑自旋结构的超固相，并被诺贝尔奖获得者W. Ketterle的Science文章所引用。研究了SU(3)自旋-轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体的量子相，在反铁磁自旋相互作用情况下，SU(3)自旋-轨道耦合打破了旋量玻色气体的普通相律，允许自发出现双量子自旋涡旋。发现在铁磁玻色气体中，Rashba自旋-轨道耦合能够诱导伴随极核涡旋的磁单极子。对于原子-分子混合气体中，发现自旋-轨道耦合可引发复合拓扑自旋构型。此外，我们也讨论了在微腔中冷原子气体的光学机制。进一步，我们也研究了自旋轨道耦合的双费米原子线中的多马约拉纳零能模和双层简并费米气体中FFLO态到拓扑超流的相变。对于晶格体系，讨论了具有 Rashba 或 Dresselhaus 自旋-轨道耦合的Fermionic Hubbard 模型相图，此外，我们也研究了冷原子中的量子非公度skyrmion晶体和公度非公度量子相变。最后，我们研究了冷原子的动力学，讨论了非旋转玻色-爱因斯坦凝聚体中涡旋四极子的动力学行为，涡流在复合与交换区域中四极子结构得到保持，而在湮灭区域相互湮灭。发现了空间调制的原子-分子玻色-爱因斯坦凝聚体中的局域空间非线性物质波。分析了一维自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子的运动，证明了孤子的自旋动力学是由一个非线性的Bloch方程所支配。