利用磁场矢量探测超冷费米气体中的p波相互作用

Ultracold atomic gas can be used to study the single partial wave interaction, which will help us to explore accurately the few-body and many-body problems in quantum gases. Many significant quantum phenomema, such as superfluid phase transition, have been observed in s-wave interaction. However the p-wave interaction has a richness of exotic phenomina due to its anisotropy, and thus it is required to develop new methods to explore this interaction. Generally, people only use the magnitude of the magnetic field to manipulate the atomic interaction. While in this project, based on single-component Fermi gas, we will apply the magnetic field vector to accurately probe the p-wave interaction in a low dimensional Fermi gas. Near the p-wave Feshbach resonance of Fermi gas potassium40, we will confine the atomic motion with optical lattice; control the direction of the magnetic dipole moment using a magnetic field; study the dependence of p-wave scattering on the angle between the atomic motion and the direction of the magnetic field. Using magnetic field vector to manipulate atoms opens a new method in atomic manipulation. Through carrying on this project, we can accurately probe the anisotropic p-wave interaction in the experiment, which will pave the path to explore the exotic quantum phenomena in anisotropic interactions.

超冷原子气体可以用来研究单一分波的相互作用，以精确地研究量子气体中的少体和多体问题。在各向同性的s波相互作用中已经观察到超流相变等重要的量子现象，而p波相互作用的各向异性使其拥有新奇而丰富的量子现象，所以需要发展新的实验方法来探测p波相互作用。通常，大家只利用磁场大小来操控原子相互作用，而在此项目中，我们将基于单自旋的超冷费米气体，利用磁场矢量来精确探测低维费米气体中的p波相互作用。在费米气体钾40的p波Feshbach共振附近，我们利用光晶格来控制原子运动的方向；利用磁场方向来控制原子磁偶极矩的取向；通过控制原子运动方向和磁场方向的夹角来研究p波散射的性质，并将实验结果和理论计算进行定量的比较。利用磁场矢量来调节原子相互作用是我们提出的一种新的操控原子的方法，通过此项目的实施，可以精确地探测p波相互作用各向异性的特性，为进一步研究各向异性相互作用中的新奇量子现象打下基础。

气体原子间的相互作用是多阶分波相互作用的总和，因而定量地研究这个过程非常困难。超冷原子气体温度低，相互作用可以分解为s 波和p 波等低阶分波相互作用，并且利用费米气体的量子统计特性，可以研究单一分波间的相互作用。在各向同性的s波相互作用中已经观察到玻色爱因斯坦凝聚(BEC)和库珀对超流(BCS)等一系列重要的量子现象，而p 波相互作用的各向异性使其拥有新奇而丰富的量子现象，所以精确地探测和操控这种相互作用具有重大的研究前景。但是p波相互作用很微弱，实验探测很困难。在此项目中我们利用磁场矢量来操控p波相互作用，验证p波相互作用的各向异性。. 通过此项目的实施，获得的主要工作成果如下：（1）通过冷原子团在两个真空腔中的转移、压缩磁光阱、磁场压缩、磁场和光塞混合阱中的蒸发冷却、以及光阱中的蒸发冷却过程，实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚现象（BEC），原子团温度为100nk，凝聚体原子数目为2.5*10^5，并且将玻色-费米混合气体（铷和钾原子）的温度降到1uK左右，为研究超冷原子的量子特性建立了实验平台；（2）提出了利用磁场矢量操控冷原子p波相互作用的新方法，说明p波散射具有各向异性的性质，此工作在Physical Review Letters发表后，获得了加拿大多伦多大学Thywissen教授等国际冷原子物理专家的多次引用和正面评价；（3）利用多频率边带冷却的方法冷却捕获原子，与单频冷却相比冷原子数目提高了4倍，解决了多频冷却提高冷原子数目的关键技术。发表文章5篇，包括1篇Physical Review Letters、3篇Physical Review A和1篇Chinese Physics Letters。培养博士研究生3名，硕士研究生4名。