超冷原子实验验证量子相变的时空对称性

当一个物理系统在发生连续相变的时候,微观尺度的细节不再扮演重要角色,一个宏观尺度的普适理论原则上可以描述相变的物理现象,无论此相变发生在什么具体的物理体系中,例如液氦超流体,液晶,生物细胞膜,超冷原子,甚至于整个宇宙早期的宏观结构[6]。普适性理论对于描述平衡态物理已经取得相当大的成功。然而当系统快速通过相变过程的时候,其演化过程是否也能用一个普适性理论来描述呢？     

混合原子光机械系统中的量子相干控制

研究了原子相干及量子相干对混合原子光机械系统输出特性的影响。应用微扰方法及光腔的输入输出理论求解Langevin方程,得到了混合原子光机械系统对弱探测场的响应函数。分析了腔模与原子系统的耦合强度、量子干涉效应对混合原子光机械系统输出特性的影响。研究发现,控制原子系统的量子干涉效应,即可控制混合原子光机械系统的输出特性;改变原子系统的控制场强度,便可改变混合原子光机械系统的透明窗口宽度,从而得到由原子吸收谱调制的光机械系统的吸收谱;在光机械系统透明窗口中心区域可实现探测场的放大;改变原子系统中控制场或耦合场的失谐量,可以控制混合原子光机械系统的透明窗口位置。     

基于超冷原子扭转双层光晶格的量子模拟

将两个二维周期晶格扭转一个角度可以产生莫尔超晶格,如图1所示,这一现象被广泛应用于光学精密检测、图像处理、艺术设计、纺织工业以及建筑学等。最近研究发现莫尔超晶格不但具有独特的美学价值,而且在量子系统中还可能导致各种新奇的物理效应,一个著名的例子是扭转双层石墨烯。

     

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。     

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     

看到超冷费米原子气的超流相变

气体或液体的超流相变是指：在临界温度Tc以下时,流体的流动将不伴随有摩擦损耗．更为细致的理解是,这要看流体的热力学参数随温度的变化,例如,当液态氦-4温度降到2．17K以下时,进入到超流态,与此同时,     

材料表面对超冷原子的量子反射

一只钢球抛向坚硬的表面，在二者接触之后，钢球将被表面反射，这一图像是人们的经典直觉．然而，如果将钢球换成原子，表面反射过程将有许多新特点．例如，原子可能在尚未接触到表面之前就“掉头”折返，这一现象被称为量子反射．与量子隧穿一样，量子反射也是源于粒子的波粒二象性．     

在膨胀超冷原子气中发展出量子有序

“远离平衡”状态在我们生活中普遍存在。在生命科学、经济学,乃至物理学中,它产生无穷无尽的复杂效应、丰富的概念和现象。的确,非平衡态物理包括许多领域,例如：关于早期宇宙的研究,在重离子碰撞中夸克—胶子喷注的产生,在致密流体中玻璃的形成,以及固体中激光驱动的对称破缺。然而,对非平衡现象的解释经常会出现歧义,因为非平衡效应缺乏一个通用的组织原则。基于这个原因,系统的动力学实验(可以控制在微观水平上,并且能够很好地与环境隔绝)对于获取具体答案变得越发重要。     

用于成像超冷费米原子气的量子显微镜

为捕获于光阱中的冷原子拍照,需要配合使用一个快速“闪光”,将它们照亮。而不幸的是,闪光会使冷原子热起来,并将它们从光阱逐出。两个新实验绕过了这个问题,通过使用一组激光光束,在冷却原子的同时,成功地拍摄到一个个冷原子的空间占位。这类量子气显微镜用于成像费米冷原子,尚属首次。新实验为使用冷原子模拟强关联系统中的电子提供了机会,例如模拟高温超导体和超巨磁电阻材料。在过去的几年里,研究人员已经对光学晶格中的玻色原子实现了量子气显微镜成像。使用光频饴(光学粘胶)和其他技术, 在成像过程中保持原子气冷却。与玻色原子相比,费米原子不容易“上像”。这主要是因为,作为费米原子,如锂-6和钾-40,它们更难被冷却。但现在,两个研究组已经成功地摄取了冷费米原子的图像：Zwierlein和他在麻省理工学院的同事展示了他们针对钾原子气的成像技术;而哈佛大学的Greiner等则是完成了对锂原子的成像。     

非线性相互作用诱导下光腔中超冷原子的新奇量子相变

Dicke模型是描述N个二能级原子与单模腔场集体耦合的系统。本文在标准Dicke模型的基础上引入原子-光非线性相互作用,使用自旋相干态变分方法从理论上给出基态能量泛函,并且在实验参数下通过可调的非线性原子-光相互作用给出了宏观多粒子量子态的丰富结构。本文主要呈现出蓝失谐和红失谐下原子数反转态、双稳的正常相、共存的正常-超辐射相等丰富的基态特性。     

冷原子光钟

<正>光钟是近二十年来发展的一类新型原子钟,它参考的是具有高品质因子的光频跃迁,分为原子光钟和离子光钟。冷原子光钟利用激光冷却后的中性原子,这类原子一般是碱土金属或者类碱土金属原子,有镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、镱(Yb)和汞(Hg)等,它们最外层都有两个电子,单重态(ns~2)~1S_0至三重态(n snp)~3P_0之间的跃迁具有非常窄的线宽,是理想的光学频率参考源。冷原子光钟凭借其极高的频率准     

Paul阱中两个超冷离子的量子统计特性

讨论两个囚禁在Ｐａｕｌ阱的对称轴上的超冷离子的量子统计特性，可以发现，它们的稳定囚禁不仅与阱的稳定区有关，而且与它们自身的自旋和电荷数大小有关。     

超冷原子分子混合气中三原子分子的首次量子相干合成

量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力,不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题,还能有效揭示复杂物理系统的规律,从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机,但实现这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算,仍然需要长期不懈的努力。当前量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机,即专用量子模拟机,它能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如,超冷原子分子量子模拟,利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统,可以对复杂系统进行精确的全方位的研究,因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。     

有限温度下腔光机械系统中N个二能级原子的相变和热力学性质

研究了含有非线性相互作用的腔机械系统中N个二能级原子在有限温度下的相变和相关的热力学性质,采用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数,求得系统的有效作用量.通过对有效作用量进行变分得到系统的热力学平衡方程和原子布居数期待值的解析表达式,重点研究了原子-场耦合强度、非线性原子-光相互作用、非线性声子-光子相互作用等影响下系统的相变,发现除了会发生由正常相到超辐射相的二阶相变外,还会出现正常相和亚稳的超辐射态共存的现象,同时会发现三相(正常相、超辐射相、亚稳的超辐射态)共存点.有限温度的升高,会使正常相到超辐射相的二阶相变点向原子-场耦合强度增大的方向移动;当非线性原子-光相互作用(正或负)增强时,相变点会向原子-场耦合强度弱的方向移动;声子-光子相互作用会导致出现超辐射不稳定态;有限温度下,在正常相区熵为定值,而在超辐射相区熵随原子-场耦合强度的增强迅速递减为零.     

原子辅助光力系统中快慢光的量子调控

随着纳米科技以及半导体技术的迅猛发展,光力诱导透明、快慢光和光存储以及其他在光力系统中发现的量子光学和非线性光学效应成为人们目前研究的热点.本文将薄膜腔光力系统同被束缚在腔中的二能级冷原子系综相耦合,通过直接在薄膜振子上引入弱辅助驱动场来研究该原子辅助光力系统中原子和相位对量子相干性质及其快慢光的调控.经过分析发现,通过改变辅助驱动场的强度可直接实现对光力诱导透明窗口深度的调控,通过改变辅助场与探测场之间的相位差,可实现输出的探测场在"吸收"、"透明"和"增益"之间相互转换,进而对弱探测场进行动态调控实现光开关.与此同时,还发现系统的群延迟时间随相位差的改变呈周期性变化.通过调节相位差及原子数,不但可以改变群延迟时间,还可实现快慢光之间的相互转换.     

超冷原子动量光晶格中的非线性拓扑泵浦

在拓扑系统中,探索相互作用引起的新奇的拓扑泵浦现象日益受到人们的关注,其中包括由相互作用诱导的非线性拓扑泵浦.本文提出可以利用超冷原子动量光晶格系统,有效地模拟一维非线性的非对角Aubry-André-Harper (AAH)模型,研究非线性拓扑泵浦的实验方案.首先,通过数值方法计算了一维非对角AAH模型的非线性能带结构随相互作用强度的变化,得到了非线性系统的孤子态解.然后,分析了不同相互作用强度下孤子态的拓扑输运,发现其质心的移动距离具有量子化的输运特征,由所占据能带的陈数决定,并讨论了非线性拓扑泵浦对相互作用符号的依赖性.同时还计算了在不同相互作用强度下,系统最低能带和最高能带对应陈数的分布.最后,基于⁷Li原子的动量光晶格实验系统,提出了一个非线性拓扑泵浦方案.本文构造了一种近似于孤子态分布的初始态并演示了其动力学演化过程,并分析了绝热演化条件对泵浦过程的影响.结果表明,在动量晶格系统中演示非线性拓扑泵浦具有可行性.本文的工作为在超冷原子系统中研究非线性拓扑泵浦提供了一个可行的途径,有助于进一步探测非线性引起的拓扑相变和边界效应.     

超冷原子中拓扑超流的发展现状

拓扑超流态是一种奇异物质态,它的内部受能隙保护,而在其系统边缘却可以容纳无能隙的Majorana 费米子。由于该粒子满足非阿贝尔统计,并且受拓扑保护具有良好的稳定性,用它 们携带量子化的信息,可以用于拓扑量子计算的研究。近年来,理论工作预测了各类系统中可能 存在的拓扑超流态。我们首先介绍了在各类光晶格模型中的拓扑超流, 光晶格的超冷原子具有良 好的可控性与普适性,是实现拓扑超流的理想模型系统。接下来我们介绍了自旋轨道耦合调控下 的拓扑超流,自旋轨道耦合效应是诱导拓扑相的重要条件,并且人们已经在实验上合成了人工自 旋轨道耦合,这为实验上观测拓扑超流取得了突破性的进展。随着近年来实验技术的提高,曾经 难以在实验中观测的,被人们所忽略的拓扑Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 超流相也 成为了人们研究的热点,因此我们接下来介绍了拓扑的FFLO 超流。此外,我们还介绍了拓扑超 流其他方面的进展,包括孤子引诱的拓扑超流、三组分的拓扑超流、大陈数的拓扑超流以及拓扑 超流临界温度的提高。在实验中,如何检测与实现拓扑超流,是其研究的目的及意义所在,因 此我们在文章的最后介绍了拓扑超流的识别与实现。     

光晶格中的冷原子

光晶格是一种人造光晶体,它是由反向传播激光束干涉形成的周期性势阱构成的。光晶格的周期、势深等参量可以通过调节激光的强度和频率等来准确控制。作为一个纯净可控的实验平台,光晶格已经逐渐成长为模拟多体系统的最便利的工具之一。文章对光晶格中冷原子进行了简单的介绍,重点阐述了玻色—爱因斯坦凝聚、激光冷却、光晶格和量子相变等内容。     

冷原子系综中量子关联光子对的产生

本文在87 Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程进行了量子关联光子对产生的实验研究,测量了关联光子对的产生率和二阶关联函数g(2)随写光激发率、读光功率以及写光失谐等实验参数的关系曲线。结果表明:随着写光激发率的增加,光子对产生率线性增加,g(2)则不断减小;在小的读光功率处,光子对产生率和g(2)随着读光功率增加而增大,当读光功率超过30 mW后,产生率和g(2)随着读光功率增加反而有所下降;写光频率失谐为-5 MHz时光子对产生率和g(2)均达到最低,增大或减小写光失谐产生率和g(2)均逐渐增加。通过选取合适的实验参数,光子对产生率达到18对/秒,同时g(2)为106。本文的研究结果为产生高质量的纠缠源提供了实验基础。