冷原子物理基础理论问题研究

Utilizing the advantage of cold atom system, and making use of the roadmap from few-body physics to many-body physics, this project bases on a full understanding of the collision properties between atoms and molecules, aims at not only developing new views of established important properties of quantum many-body system, but also reveals new physics of a quantum many-body system that are not well understood yet, such as thermalization and information scrambling in a quantum many-body system. The success of this project will enrich the content of cold atom physics and brings the cold atom physics research to a new level. This project will also actively search for collaborations with both domestic and international experimental groups, through which we can increase the international impact of China’s cold atom research. The applicant has long-time research experience on quantum simulation and few-body physics with cold atoms, and has achieved quantum properties of spin-orbit coupled cold atomic gases, orbital Feshbach resonance, Efimovian expansion and repulsive polarons, and all of them have made great international impact. About ten theoretical predictions and proposals have been confirmed or implemented by experimental groups. The applicant has long term collaboration with team members and all team members have their unique skills. Since the applicant starts the distinguished scholar award from the NSFC in 2014, we have published papers including one on Science, 2 on Nat. Phys, and 7 on PRL. This distinguished scholar project will be finished by the end of this year and we hope to receive the support from NSFC with similar strength through this project.

本项目旨在发挥冷原子体系的优势，利用从少体到多体的思路，在理解原子分子碰撞的基础上，既要从新的角度探究已发现的重要量子多体效应，更是要在尚未理解的诸如量子多体系统的热化、信息扩散等基础问题上取得突破，丰富冷原子物理的研究内容，引导冷原子物理进入一个新的高度；积极和国内外实验组开展合作，扩大我国冷原子物理的国际影响力。申请人在量子模拟、少体问题上有长期的积累，取得了自旋-轨道耦合的冷原子气体的量子特性、 轨道Feshbach共振、Efimovian膨胀、排斥型极化子等有国际影响力的成果，近十项理论预言或方案被实验证实或采纳。申请人及团队成员有长期合作的基础，团队成员各有所长。申请人仅自2014年承担基金委杰青项目以来，已发表论文包括Science论文1篇，Nat. Phys. 2篇，PRL 7篇，该项目将于2017年底结题，希望通过本项目获得基金委同等强度的持续资助。

本项目围绕项目申请时设定的冷原子物理基础理论问题这一主题，结合从少体到多体的研究思路，在高分波共振附近的强相互作用量子气体、强相互作用多体系统的非平衡动力学、有关非厄米线性响应理论和时间反演对称性的失稳、量子流体力学方程的严格解以及PXP模型中的热化问题与格点规范模型的量子模拟等五个方面，取得了一系列重要的研究成果。自2018年项目开始执行以来，我们在本项目支持下围绕上述研究主题共发表论文49篇，包括Nature Physics两篇，Nature Reviews Physics一篇，Physical Review Letters七篇，Physical Review X一篇等等。上述很多工作获得了国内外同行的广泛关注与高度评价，包括：1、与中科大实验团队合作在d 波共振附近实现了长寿命的简并量子气体，为今后进一步实现各种由高分波相互作用诱导的新奇多体效应提供了可能性。2、在玻色-爱因斯坦凝聚体系的非平衡动力学中，发现了动量分布函数在长时间演化后的普适指数行为，很好的解释了早期的实验结果，并且从理论上给出了该指数行为的物理起源。3、建立了非厄米线性响应理论，成功预言了2维Bose-Hubbard 模型中粒子在0动量占据上的衰变偏离与粒子在动量空间中的扩散动力学满足相同的亚指数普适曲线。这一现象被重新整理的原来巴黎高师实验组的实验数据所验证。4、得到了量子流体动力学方程的一类严格解，建立了某种初态的有相互作用的量子流体力学方程与无相互作用的理想气体动力学方程之间的一类严格对应关系，并且构造了三个解析实例，很好地解释了之前法兰西公学院Jean Dalibard的冷原子气体实验中困扰了许多物理学家的实验现象，并且能为之后的实验提供具前瞻性的预测。项目执行期间，培养博士生7人，博士后13人，多人已获得复旦大学、同济大学、南开大学、南方科技大学、兰州大学、郑州大学、云南大学等高校的教职。翟荟年获得了中国物理学会饶毓泰奖，科学探索奖和北京杰出青年中关村奖，入选高被引学者和美国物理学会会士。齐燃获得基金委优秀青年基金。翟荟所著的超冷原子物理教材《Ultracold Atomic Physics》由剑桥大学出版社出版。