超冷费米气体的膨胀动力学研究新进展

多体系统的非平衡动力学演化是当前物理学中最具挑战性的问题之一.超冷量子费米原子气体具有较强的可控性,是研究多体非平衡动力学的理想系统,可以用来模拟和理解大爆炸后的早期宇宙、重离子碰撞中产生的夸克-胶子以及核物理等动力学.一般多体系统演化是非常复杂的,往往需要利用对称性来研究.利用Feshbach共振可以制备标度不变的费米原子气体:无相互作用和幺正费米量子气体.当远离平衡态时,可利用普适的指数和函数来刻画,其动力学可以通过对系统的时空演化进行标度变换来识别.本文主要介绍近年来强相互作用超冷费米气体的膨胀动力学研究进展,包括原子气体的各向异性展开、标度动力学和Efimovian膨胀动力学.     

动力学淬火过程中的不动点及衍生拓扑现象

本文对近两年来有关淬火动力学过程中拓扑现象的研究做简要综述.这些动力学拓扑现象被动力学过程中的衍生拓扑不变量保护,与淬火前后体系的拓扑性质有密切关系.基于人工量子模拟平台的高度可控性,已在诸如超冷原子、超导量子比特、核磁共振、线性光学等众多物理体系中,通过对人工拓扑体系动力学过程的调控,观测到如动力学涡旋、动量-时间域的Hopf映射及环绕数、拓扑保护的自旋环结构、动力学量子相变、动量-时间斯格明子等诸多动力学拓扑现象.其中某些拓扑结构还可以在非幺正动力学淬火过程中稳定存在.这些研究将人们对拓扑物相的认识和研究从平衡态推广到非平衡动力学领域,具有重要的科学价值.     

拓扑相和拓扑相变的量子模拟

随着拓扑相和拓扑材料的发现,拓扑已经从数学概念变成现代凝聚态物理学一个重要的前沿方向。尽管越来越多的拓扑材料被预言,在人造可控量子体系中进行拓扑量子模拟仍会对材料的理解和制备起到极大的促进作用。文章简单总结了基于冷原子和超导量子比特系统开展拓扑量子模拟的进展。介绍了这两种量子系统的特点,以及相应的拓扑量子模拟实验方法,还分析了这两种体系在实验手段和物理原理上的联系。     

周期场驱动下量子材料的非平衡物态

量子材料的拓扑物态的研究是当前凝聚态物理的重要前沿.区别于局域对称性破缺对物质状态进行分类的传统方式,量子物态可以用微观体系波函数的拓扑结构进行分类.这些全新的拓扑物态有望颠覆传统的微电子学并进而推动拓扑电子学的迅猛发展.当前大部分理论和实验研究集中于研究量子材料的平衡态性质.周期性光场驱动下量子材料远离平衡态、而达到非平衡态时的拓扑物态近年来受到人们的广泛关注.本文首先回顾周期场驱动下非平衡态的弗洛凯(Floquet)理论方法,分别介绍无质量(如石墨烯)、有质量(如MoS_2)等狄拉克费米子材料体系在远离平衡态下的拓扑物态,利用光场与量子物态的相干耦合实现对量子材料非平衡物态的调控;从原子制造角度出发,光场诱导的相干声子态直接改变了量子材料中电子跃迁的大小,进而调控量子材料的非平衡拓扑物态.量子材料中丰富的声子态为非平衡拓扑物态的调控提供了更多的可能性.最后,文章展望了量子材料非平衡拓扑物态在超快相变以及瞬态物态调节等未来可能发展方向的应用.     

量子显自极寒来——冷原子研究漫谈

冷原子体系的量子波动性、宏观量子相干性和人工可调控性,使其成为了一个全新的量子体系,其新颖的量子态和奇异物性的研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域.自1995年实现稀薄气体玻色一爱因斯坦凝聚以来,从单组分、简单相互作用的研究逐渐过渡到多组分、复杂多体效应以及自旋一轨道耦合、非厄米、强关联、无序效应等新物理的研究.文...     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

高能物理学de发展及其展望

 高能物理学、亦称粒子物理学,是在原子、原子核和宇宙线的研究中诞生的.在原子的研究中发现了电子和光子,建立了量子力学和量子电动力学.量子电动力学是一种最简单的量子规范场论.以后提出的量子非阿贝耳规范场论是当前粒子物理基本理论的基础.在原子核的研究中发现了质子和中子,并且发现:除了二十世纪以前发现的万有引力相互作用和电磁相互作用以外,自然界还存在着另外两种基本相互作用:强相互作用和弱相互作用.     

凝聚态物理学的新篇章——超越朗道范式的拓扑量子物态

在凝聚态物理学发展历程中,朗道—金兹堡相变理论奠定了人们对物质形态和有序相及其相变的认识基础,在结合了威尔逊重正化群理论后,形成了朗道—金兹堡—威尔逊范式,并成为整个现代物理学宏伟大厦的重要基石。然而,在复杂电子多体系统的实验研究中,以量子霍尔效应、分数量子霍尔效应和铜氧化物高温超导体的实验发现为代表,涌现了众多超越朗道—金兹堡—威尔逊范式的新奇量子物态,掀开了凝聚态物理学的新篇章。文章从量子霍尔效应出发,介绍了二维电子体系中的几种典型拓扑量子物态。之后,重点介绍二维强关联电子多体系统中的内禀拓扑有序态。围绕Kitaev提出的二维Toric Code量子自旋模型,详细论证了该模型的基态为具有Z2内禀拓扑序的量子自旋液体,讨论了其基态的拓扑简并、低能任意子激发,以及相关的拓扑量子相变。同时,简要介绍了内禀拓扑有序态的最新研究进展和可能的未来发展方向。     

高能物理学de发展及其展望

高能物理学、亦称粒子物理学,是在原子、原子核和宇宙线的研究中诞生的.在原子的研究中发现了电子和光子,建立了量子力学和量子电动力学.量子电动力学是一种最简单的量子规范场论.以后提出的量子非阿贝耳规范场论是当前粒子物理基本理论的基础.在原子核的研究中发现了质子和中子,并且发现:除了二十世纪以前发现的万有引力相互作用和电磁相互作用以外,自然界还存在着另外两种基本相互作用:强相互作用和弱相互作用.这四种基本相互作用的强度可以用下列四个无量纲常数表达:     

用光晶格模拟狄拉克、外尔和麦克斯韦方程

相对论性量子力学波动方程,如狄拉克、外尔和麦克斯韦方程,是描述微观粒子运动的基石.最近的实验和理论研究表明,冷原子系统中几乎所有参数都可精确调控,因此冷原子系统被认为是实现量子模拟的理想平台,可以用来研究高能和凝聚态物理中的一些基本问题.本文介绍了设计原子光晶格哈密顿量的思路和方法,主要涉及激光辅助跳跃的理论.基于这些方法,物理学界提出了利用光晶格体系模拟相对论性量子力学波动方程,包括狄拉克、外尔和麦克斯韦方程等,并且预言了一些在基本粒子物理中很难观察到,但在冷原子体系可能观察到的物理现象.本文综述了国际上此领域的研究进展.     

超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量

量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量,并利用量子效应提高测量精度的交叉科学.随着超冷原子实验技术的发展,超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台.利用发展成熟的量子调控技术,人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态.基于多体量子干涉,利用这些非高斯纠缠态作为输入,可以实现超越标准量子极限的高精度测量.本文简要综述这一研究领域的进展.     

原子核多体关联动力学——量子多体理论的一种非微扰途径

本文从原子核物理学的实验事实和理论经验出发,阐述了原子核及量子多体关联动力学的基本物理思想与理论方法,介绍了它的主要的理论结论和重要的应用成果。文章侧重于物理思想深入浅出的陈述和理论结果的诠释,包含了量子场的关联动力学的最新结果和对量子关联动力学应用前景的展望。     

凝聚态理论和材料计算研究进展

文章介绍了中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室的历史渊源和发展现状,重点介绍了该室研究人员自2001年以来在表面与半导体物理、强关联物理、自旋与轨道电子学、冷原子与玻色-爱因斯坦凝聚体、固体物理中的贝里相位效应、低维量子输运与量子信息等方向所做的研究工作.     

原子核多体关联动力学——量子多体理论的一种非微扰途径

本文从原子核物理学的实验事实和理论经验出发，阐述了原子核及量子多体关联动力学的基本物理思想与理论方法，介绍了它的主要的理论结论和重要的应用成果。文章侧得于物理思想深入浅出的陈述和理论结果的诠释，包含了量子场的关联动力学的最新结果和对量子关联动力学应用前景的展望。     

超冷极性分子

目前对超冷原子的研究已经从最初的原子分子物理扩展到了物理的很多分支.极性分子可以将电偶极相互作用引入到超冷体系,同时分子又与原子类似,可以灵活地被光和其他电磁场操控,因而很多理论工作都预言了超冷极性分子在超冷化学、量子模拟和量子信息等领域会有重要的应用.但由于超冷基态分子的制备非常困难,如何把超冷物理从原子发展到分子还是一个方兴未艾的课题.过去的10年间,各种分子冷却技术都取得了很大突破,本文回顾了这些进展,并着重介绍了基于异核冷原子的磁缔合结合受激拉曼转移这一技术,该技术在制备高密度的基态碱金属超冷极性分子上取得了较大的成功.本文也总结了超冷极性碱金属分子基本碰撞特性研究的一些实验结果.     

基于张量网络算法的自旋梯子系统的弦序参量的研究

通过基于矩阵乘积态(MPS)的强关联电子量子自旋梯子格点系统的张量网络(TN)算法,摸索研究自旋梯子量子多体系统的弦序参量,探测系统的量子相变点,刻画系统的量子临界现象,获取系统的量子相图,这为我们提供了一个研究自旋梯子系统的量子多体物理性质强有力的工具和方法:在不知道系统是否缺乏Landau对称性破缺序或者系统是否存在相关的拓扑弦序的情况下,可以先得到系统的基态波函数,如果基态缺乏Landau对称性破缺序,或可以通过其它方式找出系统存在若干非局域的弦序参量,来完整地描述一些拓扑量子相变点,获得系统的量子相图,从而丰富和发展了传统的Landau对称性破缺的相变理论.     

基于张量网络算法的自旋梯子系统的弦序参量的研究

通过基于矩阵乘积态(MPS)的强关联电子量子自旋梯子格点系统的张量网络(TN)算法,摸索研究自旋梯子量子多体系统的弦序参量,探测系统的量子相变点,刻画系统的量子临界现象,获取系统的量子相图,这为我们提供了一个研究自旋梯子系统的量子多体物理性质强有力的工具和方法:在不知道系统是否缺乏Landau对称性破缺序或者系统是否存在相关的拓扑弦序的情况下,可以先得到系统的基态波函数,如果基态缺乏Landau对称性破缺序,或可以通过其它方式找出系统存在若干非局域的弦序参量,来完整地描述一些拓扑量子相变点,获得系统的量子相图,从而丰富和发展了传统的Landau对称性破缺的相变理论.     

冷原子物理中的一维少体问题

作为构成量子多体系统的基本单元,一维少体系统的研究不仅可以在理论上为多体系统的量子关联及动力学等性质提供更为基本的理解,也可以为实验上制备多体系统提供更加方便和功能更加全面的方法.本文回顾了冷原子物理中一维少体系统最新的实验和理论进展.首先介绍了少体实验中实现的谐振子势阱中确定原子数的精确制备,亚稳态势阱和双阱系统中原子的隧穿,以及强相互作用下等效自旋链的实验结果.然后深度解析了理论研究方面,特别是基于精确可解模型的一些重要结果,包括亚稳态势阱中相互作用原子的隧穿概率,以及相应实验上常见势阱的能谱分析、密度分布、隧穿动力学以及强相互作用极限下的有效自旋链模型等.     

基于张量网络算法的自旋梯子系统的弦序参量的研究

通过基于矩阵乘积态(MPS)的强关联电子量子自旋梯子格点系统的张量网络(TN)算法,摸索研究自旋梯子量子多体系统的弦序参量,探测系统的量子相变点,刻画系统的量子临界现象,获取系统的量子相图,这为我们提供了一个研究自旋梯子系统的量子多体物理性质强有力的工具和方法:在不知道系统是否缺乏Landau对称性破缺序或者系统是否存在相关的拓扑弦序的情况下,可以先得到系统的基态波函数,如果基态缺乏Landau对称性破缺序,或可以通过其它方式找出系统存在若干非局域的弦序参量,来完整地描述一些拓扑量子相变点,获得系统的量子相图,从而丰富和发展了传统的Landau对称性破缺的相变理论.     

光腔中的超冷原子气体

近年来,光腔和冷原子气体的耦合系统受到了越来越多的关注。本文简要综述了近年来该领域在理论和实验方面的一些进展,重点关注其中的超辐射相变,并围绕光腔–原子耦合这一特征,分别介绍了超冷玻色气体和费米气体中的新奇量子相和量子相变。这些研究工作展示了该系统在非平衡态物理、多体系统的量子模拟、人造规范势和人造自旋–轨道耦合等方向的价值和意义。