双组分玻色-爱因斯坦凝聚体的混溶性

基于包含Lee-Huang-Yang修正的物态方程,研究了具有排斥相互作用的双组分玻色-爱因斯坦凝聚体在平均场弱失稳区间的基态相图.根据相平衡条件,确定了等质量混合体系中不混溶态、部分混溶态以及均匀混溶态之间的相边界.在原子密度足够稀薄的情形下,给出了相边界和量子临界点的解析表达式.讨论了密度响应的静态极化率在量子临界点附近的发散行为.对于不等质量的双组分凝聚体,利用低浓度展开的物态方程,得到了部分混溶态出现的阈值密度,并提出了判断部分混溶构型的解析方法,为钠、钾、铷等冷原子混合体系的实验观测提供了明确的理论指引.     

一维双组分玻色-爱因斯坦凝聚体系的量子隧穿特性

利用双模近似方法研究了一维双组分玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates,BECs)的量子隧穿特性.从描述三维双组分BECs系统的Gross-Pitaevskii方程(GPE)出发,得到了描述一维体系的GP方程.把体系波函数写成原子数和相位指数的乘积,得到描述体系隧穿特性的费曼方程.数值求解费曼方程,研究了原子之间相互作用(双组分BECs体系原子之间的相互作用包括组分内部原子之间的相互作用和不同组分原子之间的相互作用)对隧穿特性的影响.结果显示,当原子之间的相互作用较弱时,体系发生量子隧穿现象,表现为原子数在平衡位置附近作周期振荡;随着原子之间相互作用增强,体系经历一个临界状态,进入自俘获状态,即由于原子之间相互作用的存在,在对称双势阱中演化的BECs可以呈现出原子数高度的不对称分布,好像绝大数原子被其中一个势阱俘获.从隧穿到自俘获原子之间的相互作用存在一个临界值,从而体系的能量也对应一个临界值,根据体系的哈密顿函数,就能求出相互作用临界值的表达式.     

原子冷却技术的发展

新的物理现象的发现往往得益于新实验技术的发明,制冷技术的进步推动了包括凝聚态物理学和原子物理学等现代科学多个领域的重要发现,并促进了超导强磁铁、冷冻电镜等需要极低温度条件的新技术的发展.近年来,随着激光冷却技术的发明和不断发展,人们得以在极端低温下开展统计力学和量子力学相关的实验研究,迄今,人们已经实现了玻色-爱因斯坦凝聚态这种新奇的物态,并掌握了在单原子尺度开展量子调控研究的能力.同时,由于描述量子多体系统的希尔伯特空间的维度随系统粒子数呈指数增长,即便使用经典超级计算机处理此类问题也仍面临巨大困难,这使得基于超冷原子、离子、超导等体系的量子模拟研究成为热点.人们通过前所未有的调控能力制造人工量子系统,再直接调控并观测其量子相变过程,这为研究强关联量子系统提供了一条崭新的途径.在获得极限低温的道路上,基于热力学定律的传统制冷技术能够达到的温度极限在mK量级,但激光冷却技术却另辟蹊径,巧妙地运用光与原子的相互作用,将原子的温度降低到nK量级,这大大推动了基于超冷原子的量子模拟研究的发展.尽管激光冷却技术获得的超冷原子的温度是传统制冷技术远不能及的,但由于中性原子间相互作用强度很弱,转换...     

超冷~(87)Rb原子在二维光晶格中Mott绝缘态的实验实现

超冷原子气体的量子相变是研究量子关联多体物理的核心内容之一.本文采用单一激光光束通过折叠反射产生二维光晶格,通过控制激光偏振产生两种不同的二维光晶格结构,一种是两个独立的一维光晶格构成,另一种是两个方向的一维光晶格互相干涉形成.将超冷~(87)Rb原子装载到二维光晶格中,通过改变光晶格激光功率调控原子在光晶格中的隧穿强度和相互作用强度,观察到~(87)Rb原子从超流态到Mott绝缘态之间的量子相变,并且分析了两种光晶格对量子相变的影响,为今后开展光晶格中强关联物理研究奠定基础.     

超冷~6Li费米气体的密度涨落和亚泊松分布

本文实验测量了无相互作用下6Li超冷费米原子气体密度分布的空间噪声涨落.在量子简并条件下,研究了理想费米气体的空间原子噪声涨落和量子简并度之间的关系,在实验上研究了泡利排斥对量子简并费米气体密度涨落的有效抑制,实现了低温费米量子气体的亚泊松分布测量.本文发展的原子密度噪声测量方法和测量结果在强相关多体系统的温度测量和观测不可压缩量子相的相变方面具有较大的应用前景.     

从光晶格中释放的超冷玻色气体密度-密度关联函数研究

利用量子旋转场理论详细研究了从光晶格中释放的超冷玻色气体的空间密度-密度关联函数.由于量子旋转场理论充分考虑了光晶格中冷原子气体的粒子数涨落和相位效应,该理论能有效应用于具有强相互作用的冷原子系统,从而光晶格处于超流态到绝缘态逐渐过渡过程中的超冷原子气体的关联特性在这一理论体系下都得到了很好的描述.结果表明:随着超冷玻色气体逐渐从绝缘态向超流态过渡,其密度-密度关联图样中连续对角斜线也逐渐向分散的尖峰过渡,理论结果与目前实验观测到的结果符合.除此以外,上述密度-密度关联的结果中还包含了超冷原子系统量子耗散效应,相关结论与目前已有的理论和实验一致.     

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.     

一维强相互作用极化费米子的相图

文章首先简要评述了目前强相互作用的极化冷费米原子体系的研究现状.在三维,人们对该体系基态存在着不同认识.为对这个问题有进一步了解,文章探讨了一维强相互作用极化费米气体.在均匀情况下,这是一个可积系统,可以得到该体系的一个严格相图.作者发现了一种非均匀的超流相在相空间占主导地位.在有外加束缚势的实验情况下,通过局域密度泛函近似,作者发现了两种新颖的相分离相.     

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.     

吸附氦(~4He)薄膜准二维运动的有效势近似

对氦单层和氦二层体系的第二层低密度量子气体,依简化的准二维运动物理模型,求得了被吸附在石墨基底上的氦原子对之间的有效相互作用。由这种有效相互作用所求得的被吸附量子气体的第二维里系数及其二阶导数,比由理想二维物理模型出发所得结果更接近实验数据。     

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.     

散射的原子捕获d波

正与非常规超导机制类似的d波相互作用在冷原子气体中得到了实现。超冷原子气体提供了一个精妙的实验平台,可以用于探索凝聚态物理中的多种模型。研究人员可以精细地控制这些原子,使它们成为固体与液体中的电子或其他自由度的替身,从而利用这一系统来模拟磁性、量子相变以及其他常规凝聚态现象。但是,模拟高温超导可是块难啃的骨头。这是由于这种状态     

吸附氦(4He)薄膜准二维运动的有效势近似

对氦单层和氦二层体系的第二层低密度量子气体,依简化的准二维运动物理模型,求得了被吸附在石墨基底上的氦原子对之间的有效相互作用。由这种有效相互作用所求得的被吸附量子气体的第二维里系数及其二阶导数,比由理想二维物理模型出发所得结果更接近实验数据。 关键词：     

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.     

Kerr相互作用下量子相干性分布和量子信息流动

本文针对Kerr相互作用下系统中量子相干性的动力学分布进行了研究.所讨论系统包含两个没有相互作用的原子,每个原子都被囚禁在各自的光腔中,同时光腔被充满了非线性Kerr介质.研究发现非线性Kerr相互作用能够增加两原子间的量子相干性,而且增大的幅度会随着Kerr相互作用强度的增加而得以提高.其次,借助迹距离的方法,还探讨了非线性Kerr相互作用对于原子与光腔之间的量子信息流动的影响,发现Kerr相互作用可以加快量子信息回流到原子子系统中,抑制原子子系统与其余子系统间的量子信息交换,阻碍量子信息在系统中不同子系统间的流动,从而保护原子子系统中拥有的量子信息.     

排斥抛物势中相互作用时空调控的超冷玻色气体孤子的反射、局域、穿越与振荡行为操控

考虑原子间相互作用随时间变化，首先基于Darboux变换法，得到一维无量纲的非线性薛定谔方程的孤子解，发现排斥抛物势中超冷原子之间随时间呈指数增加（减小）的相互作用对孤子有一个阻力（推力）作用。然后，利用直接数值模拟的方法研究了排斥抛物势中相互作用时空调控的超冷玻色气体孤子动力学行为，发现：当原子间相互作用不变时，存在一个临界速率；当原子间相互作用随空间坐标变化时，不但孤子的临界局域速率会变小，而且即使初始速率为0，孤子也可穿过势垒，并产生一个周期性振荡行为，振荡周期可通过改变囚禁频率和原子间相互作用来调控。相关结果可为超冷玻色气体在量子信息方面的应用提供一定的参考。     

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...     

光学腔与原子强耦合的实验研究进展

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研究,在单原子与光学腔强耦合和原子系综与光学腔的耦合研究方面取得了重大进展。随着多原子阵列量子操控技术的进步,可控的多原子阵列与光学微腔强耦合系统近年来成为腔量子电动力学的重要研究方向。然而,目前实现确定性可控的多原子阵列与腔的强耦合仍面临巨大的技术挑战,可控原子数还停留在两个。简要回顾了近年来光频区强耦合腔量子电动力学系统在上述方面的主要实验进展和相应的实验方案,并展望了未来的发展。