基于光晶格的超冷原子量子模拟

文章从超冷原子研究的视角出发,回顾了用“从下到上”的方案来开展量子模拟研究的历史.超冷原子作为宏观量子态,各个自由度精确可控,是量子模拟的绝佳平台.光晶格将冷原子物理和凝聚态物理融合起来,是其中最重要的技术之一,为超冷原子量子模拟提供了一个扎实的落脚点.近年来,关于拓扑量子模拟的研究日益兴起,成为超冷原子量子模拟新的重...     

杨振宁先生和冷原子物理

早在20世纪50年代,杨振宁先生和他的合作者们就意识到,稀薄中性量子气体中最主要的相互作用效应可以被s-波散射长度来描述,从而可以得到不依赖于粒子间相互作用的细节的普适描述.这一洞见奠定了量子气体的理论基础.他们还由此给出了玻色气体基态能量的表达式,后来被称为“Lee-Huang-Yang修正”.实验物理学家克服种种困难,在近40年后的1995年,才将冷原子气体冷却到量子简并.此后,冷原子物理展示出来种种优势,包括相互作用和维度的可调控性以及测量的精密性,这使之成为研究量子多体物理的理想平台之一.多个冷原子实验观测到“Lee-Huang-Yang修正”的效应.通过有效地降低系统维度,冷原子实验对一维体系的研究,还证实了杨先生在20世纪60年代提出的Yang-Yang thermodynamics. 2010年左右,年逾八旬的杨先生再次研究一维可解模型,他发现的一维多分量费米子系统的极限行为,又很快被冷原子实验证实.通过内态调控产生等效的人工维度,冷原子体系还可以模拟高维体系的物理,其中包括实验模拟了杨先生于20世纪70年代提出的SU(2)非阿贝尔规范场中的Yang monopole这一...     

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.     

~6Li超冷费米气体窄Feshbach共振的实验研究

我们通过精确锁定Feshbach共振线圈中的电流,获得了稳定度接近10-5的Feshbach共振磁场。利用RF射频谱和原子共振损失谱精确地测量了超冷6 Li费米原子气体的窄Feshbach共振,研究了该Feshbach共振的相互作用和原子气体的能量依靠关系,测量了原子内态相互作用和密度所导致的射频跃迁的散射碰撞频移。这种能量依靠的相互作用的费米原子气体具有重要的意义,可以产生新奇的超流,用来模拟中子星物质的态方程。     

产生超冷多原子分子气

激光冷却和捕获原子,曾经是获得过诺贝尔物理学奖的研究项目。与这项研究相关的技术进步导致了一批革命性的新应用,其中包括原子钟、量子信息处理和凝聚态系统的模拟等。这里要讨论的不是原子气的冷却,而是对多原子分子气所实施的冷却(冷却到1 mK或以下)。一般认为,超冷分子气的应用范围并不亚于超冷原子气。最近,Zeppenfeld等在Nature上撰文,报告了他们在产生超冷多原子分子气方面取得的成功以及实验方法方面取得的有效进展。他们的工作还同时大大拓宽了可以实施冷却的分子气样品名单。     

用于冷原子的高精度磁场锁定系统

磁场调控的Feshbach共振是调控原子间相互作用最常用的基本工具,减小磁场起伏,对于提高超冷原子散射共振的稳定性有着重要意义.本文通过一套分流磁场锁定系统,实现了百高斯磁场下相对不确定度为10^-6量级的磁场锁定,相较于未经锁定时,低频电流噪声得到45 dB以上的抑制.利用本文的锁定方法,~6Li原子团Rabi振荡相干时间提高了9.6倍,有效延长了超冷原子系统的相干时间.同时根据原子的Raman损耗谱标定了磁场均方根噪声,通过选择无相互作用的528 Gs (1 Gs=10^-4 T)处进行检测,磁场均方根噪声抑制到1.2 mGs,相较于未经锁定时,磁场均方根噪声降低16倍,磁场锁定相对不确定度为2.27×10^-6.这样的磁场锁定系统,可以为超冷原子气体提供精确稳定的背景磁场,对延长量子存储寿命、精确调控原子散射、开展凝聚态物理模拟等超冷量子气体实验有重要意义.     

用电子束任意雕琢原子团打开冷原子物理的新天地

近十年来,物理学家们非常巧妙地运用光格(呈有序排列的光阱)和超冷原子构成的量子"模型"对诸如超导现象等固体性质进行模拟研究.然而,人们一直没有找到一种很好的方法将光格中特定位置的原子去掉,这就使光格一超冷原子量子模型的应用范围受到较大的限制.如果可以对光格中的每个超冷原子进行针对性操作,那么光格一超冷原子量子模型将可以模拟更多种类的固体材料.     

玻色气体的磁性

物质磁性一直是凝聚态物理研究的重要课题.以往对磁性的探索主要是以费米子(局域或巡游的电子)为研究对象.由于传统的玻色系统液氦没有自旋,不表现磁性,玻色系统的磁性很少被关注.碱金属原子气体玻色-爱因斯坦凝聚的实现,在开辟了冷原子物理研究领域的同时,也打开了研究玻色系统磁性的大门.这是因为碱金属原子通常具有超精细结构,是旋量玻色气体,能够展示磁性.文章通过对比费米气体的相关结果,介绍了旋量玻色气体磁性的研究概况和最新进展,特别是铁磁性玻色气体的磁性相变以及在低温下铁磁性凝聚体的动力学特征.     

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.     

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。     

软 X射线共振非弹性光散射及其应用

软 X射线共振非弹性光散射是近年来随着高亮度第三代同步辐射出现而发展起来的光散射光谱技术 ,可以用于对多原子构成的分子、凝聚态物质进行位置选择的价电子态结构的研究。与 X射线光电子能谱 ( XPS)或紫外光电子能谱 ( UPS)相比 ,这一光谱方法由于测量样品激发后产生的散射 X射线 ,因而不仅可以获得表面的原子分子信息 ,而且可以用于研究样品体内或掩埋薄层的原子分子。同时这一方法的共振特性使得其可以进行灵敏的元素选择测量。本文将介绍这一光散射光谱技术及其在原子分子物理、表面物理及凝聚态物理中的应用     

使用超冷费米原子模拟量子磁性

<正>来自瑞士和法国的研究者Esslinger等,将超冷40K费米原子安置在由交叉激光束形成的二维4方晶格中,首次实现了量子磁性现象的实验模拟。通过控制40K原子间的相互作用,使原子对的自旋实现了反铁磁配置。理论学家认为,上述模拟将有助于改进一批凝聚态物理问题的理论模型。量子磁性涉及交换相互作用,典型的情况发生在     

宏观量子态玻色爱因斯坦凝聚

2001年诺贝尔物理学奖的3位得主,他们获得当年诺贝尔物理学奖的理由是实现了稀薄气体中的碱性原子的玻色一爱因斯坦凝聚,揭示了一种新的物质状态——玻色爱因斯坦凝聚态,在这种态中,原子能够“齐声地歌唱”     

自旋轨道耦合量子气体中的一些新进展

随着人造规范势和自旋轨道耦合在冷原子体系中的实现,对这类效应的研究成为了冷原子物理研究的热门方向之一.冷原子系统具有丰富的可操控性,因此不仅可以作为优秀的量子模拟平台来研究其他领域中有意义的模型和问题,还基于体系自身的特点衍生出了一系列新颖的问题和方向.本文将以综述的形式介绍具有自旋轨道耦合的超冷原子系统中的一些新研究进展,重点关注该体系中特有的物理要素,如耗散、新颖的相互作用形式、大自旋和长程相互作用对系统性质的影响.这些研究进展可以为理解自旋轨道耦合效应提供新的启示和思路.     

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.     

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。     

单光路冷原子吸收法在线测量气态痕量汞的研究

建立单光路冷原子吸收在线测Hg小型实验装置,应用Hydra AA全自动测Hg仪,采用湿化学法测量吸收液中的Hg浓度,通过测量结果计算出气体中的Hg浓度,测量结果表明渗透管渗透速率稳定。在此基础上,根据Lambert-Beer定律,通过原子吸收的方式测量痕量气态Hg的吸收强度,并与湿化学法测得的结果进行对比分析,实验结果与理论分析吻合较好,表明单光路条件下,冷原子吸收可用于纯净气体中Hg浓度的测量,进一步的研究应当以如何提高系统适应性及抗干扰能力为主要方向,光源强度的脉动可通过监测Hg的其他谱线来消除;外界环境的干扰,例如气体中存在粉尘或吸收池镜片存在污染等,可通过光电耦合变化作用予以消除。     

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.     

最新科技动态

超流费米气体奥地利科学家ChengChin和同事提供的光谱证据显示 :强相互作用的超冷锂原子进入了超流状态 .在他们的实验中 ,玻色 爱因斯坦凝聚态的强耦合成对的原子跨入弱耦合域 ,也就是进入了类似于超导金属中的巴丁 库柏 施里弗电子耦合 .他们的光谱测量结果揭示了“激发谱     

激光冷却及其在科学技术中的应用

这篇文章回顾了近20以来激光冷却原子气体的发展历史,同时概述了激光冷却的各种物理机制,还介绍了超冷原子物理在量子物理学和高科技应用中所取得的重要成就,包括气体原子的玻色-爱因斯坦凝聚、原子钟和原子干涉仪。