超冷费米气体在合成规范场中的实验研究

As the pure and controllable physical system，ultracold atoms may be manipulated by spatial geometric configuration，dimension，interaction and rich internal freedom. Thus it is ideal platform to study the new phase and physical principles, discover the novel quantum phenomena. The movement of the electron in the electric or magnetic fields is studied usually in the condensate matter system. However, ultracold atoms are neutral particles without the charge. The synthetic gauge potential is induced by laser-atom interaction in this project. The spin-orbit coupled degenerate Fermi gas is achieved by the synthetic gauge potential and its novel quantum characteristics is studied. Especially the characteristics of the different topological states in spin-orbit coupled degenerate Fermi gas are investigated by the magnetic Feshbach resonance, momentum-resolved radio-frequency spectrum, low dimensional optical dipole trap, in-situ imaging.

超冷原子作为一个纯净可人为操控的物理系统，可实现几何构型、维数、相互作用形式以及丰富内部自由度可调控的量子多体系统，它是研究新物态及其物理规律,发现新奇量子现象的理想平台。但凝聚态体系中往往要研究在电磁场中运动的电子, 超冷原子是不带电荷的中性原子，因此通过产生有效电磁场（合成规范场）的方法使超冷原子感受到一个等效电磁场。本项目通过光与原子相互作用产生合成规范场，利用合成规范场产生的自旋轨道耦合, 研究简并费米气体的奇特的量子特性，特别是通过磁场Feshbach共振、动量分辨射频谱、低维光阱、超高分辨率原位测量等技术研究自旋轨道耦合的简并费米气体中各种拓扑态的基本性质。

超冷原子系统展现出独特的宏观量子相干性以及人工精确可调控性，在量子信息科学和凝聚态物理学之间构建了紧密的联系，已成为目前物理学研究的热点前沿领域。由于超冷原子是不带电荷的中性原子，不能直接产生类似电子在电磁场中规范势，在超冷原子中产生人造规范势及其导致的自旋轨道耦合效应是近年来超冷原子物理的一个研究难题之一。该项目通过光与原子相互作用在超冷费米气体中率先实现自旋轨道耦合人造规范势，结合磁,Feshbach 共振调控强相互作用、动量分辨射频谱等技术深入研究了自旋轨道耦合简并费米气体中拓扑量子态的基本性质，取得系列具有创新性的系列研究成果，为今后在超冷原子体系中模拟凝聚态中的拓扑物质以及制备新的拓扑量子态奠定重要基础。.项目发表单篇最高SCI 他引464次，2 篇论文入选为SCI (Web of Science) 高引用论文，1篇被Physics、Physics World专题报道；1 篇论文被Nature Phys. 选为亮点论文报道。受邀由World Scientific出版的系列丛书《Annual Review of Cold Atoms and Molecules》上撰写了其中一章节，综述了自旋轨道耦合费米气体。美国NIST I. Spielman教授发表在Nature [Nature 494, 49 (2013)]上一篇关于“Spin-orbit coupling in quantum gases”的综述论文中，特别评价我们的工作“这是第一个在原子费米气体中实验观测自旋轨道耦合”。张靖教授获中国物理学会饶毓泰物理奖”获美国光学学会Fellow。