用拉曼光晶格在锶原子超冷费米气体中实现二维自旋-轨道耦合

Two-dimensional spin-orbit coupling on the basis of optical Raman lattices provides a promising route for realizing topological quantum systems, such as topological superfluid, in ultracold Fermi gases. Presently, two-dimensional spin-orbit coupling based on optical Raman lattices has been realized for Bose-Einstein condensates, but has not been applied to ultracold Fermi gases. Furthermore, in order to enhance the lifetime of corresponding correlated quantum states, it is important to minimize atomic heating effects due to spontaneous emissions, which requires a careful selection of atomic species with as low spontaneous emission rates as possible. Here, we choose the fermionic isotope of alkaline-earth strontium atoms (Sr 87), for which the spontaneous emission rate is 1000 times lower than typical rates for alkali metal atoms. We plan to realize a degenerate Fermi gas by laser cooling and evaporative cooling, and to load this gas into optical Raman lattices using coherent optical precision manipulation techniques, thus inducing two-dimensional spin-orbit coupling. Our proposed work holds promise for realizing topological flat bands with large band gaps and strongly correlated topological quantum states in ultracold Fermi gases.

基于拉曼光晶格的二维自旋-轨道耦合为在超冷费米气体中实现拓扑超流等拓扑量子体系提供了技术途径。目前，基于拉曼光晶格的二维自旋-轨道耦合已在玻色-爱因斯坦凝聚中实现，但还没有被推广到超冷费米气体；同时，为了延长相应的关联量子态的寿命，需要最大程度地减小自旋-轨道耦合对原子产生的加热效应，这需要选择自发辐射率尽可能低的原子种类。本项目选择自发辐射率比碱金属原子低三个数量级的碱土金属原子锶87；拟通过激光冷却和蒸发冷却的方法实现量子简并费米气体，并用光学相干精密调控的方法将费米气体加载到拉曼光晶格中，从而诱导二维自旋-轨道耦合。本项目的成果将为进一步实现超冷费米体系的大能隙拓扑平带结构和强关联拓扑量子态提供条件。

项目背景：基于拉曼光晶格的二维自旋轨道耦合为在超冷费米气体中实现拓扑超流等拓扑量子体系提供了技术途径。本项目立项时，基于拉曼光晶格的二维自旋轨道耦合已在玻色-爱因斯坦凝聚中实现，但还没有在超冷费米气体中实现。. 重要成果： 本项目执行期间，负责人的实验小组应用二维拉曼光晶格技术，取得如下重要成果：首次在超冷费米气体中实现了Dirac类型的二维自旋轨道耦合，并基于此首次在费米子体系中实现了量子反常霍尔效应的两大基本模型之一，即Qi-Wu-Zhang模型。. 主要研究内容包括：选择自发辐射率比碱金属原子低三个数量级的碱土金属锶87费米子，通过激光冷却和蒸发冷却的方法实现了精确调控自旋态的量子简并费米气体；利用赫兹级频率稳定激光器对锶87原子的窄线宽跃迁进行光学相干精密调控，成功实现Dirac类型的二维自旋轨道耦合；同时实现了足够刻画拓扑能带的系统寿命；发展了一套抽运-探测淬火测量方案用于拓扑能带测量，能够在数百微秒的很短时间内精确测量基带拓扑。. 关键数据包括：（1）准一维到二维自旋轨道耦合的渡越行为；（2）基于抽运-探测淬火测量技术进行能带拓扑测量；（3）基于原子的自旋极化分布进行能带拓扑测量。. 科学意义：本项目为首次在费米子体系中实现Dirac类型的二维自旋轨道耦合以及Qi-Wu-Zhang拓扑模型提供了完整而坚实的证据。项目的顺利完成为基于自旋轨道耦合超冷费米子研究新奇拓扑物理和关联效应提供了一个高度可控可调的实验平台。