量子蒙特卡罗方法研究配对超固体

Cold atom in optical lattice provides us an important platform to study correlated quantum system and prepare new states of matter for research. We aim to study：① the university of phase transitions between pair supersolid and other phases of Bose-Hubbard model with boson pair tunneling under three-body constraint on the triangular lattice, ② the existing condition for the quasi-hardcore pair supersolid on cubic lattice and the effects of particle-hole pairs on supersolid. ③ the properties of softcore pair supersolid onbipartite lattice( one –dimensional chain, square lattice and honeycomb lattice). In this project, we prepare to simulate the Bose-Hubbard model with pair tunneling term by our sef-improved Quantum Monte Carlo method and comparing the results with Gutzwiller mean-field method. The results are helpful to apply the Gutzwiller mean-field theroy to solve extended Bose-Hubbard model on the triangular lattice and understanding the mechanisms of supersolid(doped defect condensation, order by disorder, without doping ).

光晶格中冷原子系统给人们研究关联量子体系、制备和研究新奇物质态提供一个重要的平台。我们计划研究：① 对于含有配对隧穿的玻色哈伯德系统，在三体限制下, 三角晶格中准硬核配对超固体到与其它相之间相变的普适类。 ② 在三体限制下，在立方晶格中能否找到硬核配对超固体，以及粒子-空位配对对硬核配对超固体形成机制的影响。③ 突破三体限制后，在二分的晶格（如一维，正方和六角晶格）中探索软核配对超固体的存在条件和特征。在本项目中，我们运用自行改进的量子蒙特卡罗算法模拟含配对隧穿的玻色哈伯德模型, 并将结果和平均场理论进行对比。我们的结论有助于将Gutzwiller平均场理论运用到三角晶格中玻色哈伯德问题, 而且有助于理解超固体存在的机制(搀杂或空位凝聚, 有序无序, 无搀杂)。

在研究成果Phys. Rev. B 88, 174515 (2013) 中，我们系统地研究了扩展的含有原子隧穿和配对隧穿的玻色哈伯德模型，集中研究三角晶格中三体限制下该模型的性质。运用大规模的量子蒙特卡罗模拟，我们研究了基态量子相图。通过调节原子隧穿和配对原子隧穿的强度时，发现原子超流和配对原子超流之间的相变属于一级相变。这种一级相变在各种条件下保持不变。我们然后研究原子配对隧穿，最近邻排斥相互作用和格点上的排斥相互作用之间的影响。当格点上排斥作用存在时，我们观察到莫特绝缘相和配对超流相属于一级相变。当最近邻排斥相互作用存在时，三种典型的固体相如2/3,1,4/3填充的固体相存在，前提是原子配对参数较小。一种稳定的配对超固体相出现在格点排斥相互作用较小时，这是因为三体限制和配对隧穿，让系统成为准硬核玻色子。因此，出现配对超固体态是基于有序无序机制，通过该机制，三角晶格中硬核玻色子可以避开阻挫。无格点上的排斥相互作用，配对起固体和配对超流或原子超流之间属于一级相变，粒子空位对称点除外。当存在弱的格点内排斥相互作用和原子隧穿，配对超固体和配对超流相之间属于连续相变。固体相和配对超固体之间的相变类型属于3DXY 普适类，动力学临界指数z=1 和关联临界指数V=0.67155, 配对超固体相的热力学熔化属于两维Ising 普适类，我们了验证配对超固体相的能量平衡和力学平衡，降低三体限制，没能找到配对超固体态，这是由于经典极限下配对固体简并不存在。在研究成果Chin. Phys. B 22, 096702（2013）中，我们系统了运用了Gutzwiller 平均场方法获得三体限制下含配对隧穿玻是哈伯德模型的相图。我们的结果有助于拓展量子蒙特卡罗和平均场方法的应用，也有助于指导实验探索超冷原子中的新奇量子相。