三腿梯子上硬核玻色-哈伯德模型的量子蒙特卡罗研究

运用集团平均场和密度矩阵重整化群方法得到三腿梯子中玻色-哈伯德模型基于z方向密度交错排布的超固体相,比单层三角晶格多一种超固体.然而平均场超流序参量没有考虑超流的方向,这种超固体的本质有待于进一步探索.本文运用可靠的有向圈随机序列展开量子蒙特卡罗方法模拟了三腿梯子上硬核玻色-哈伯德模型,通过测量层内和层间的结构因子和超流刚硬度,发现系统具有密度ρ=1/2的固体,增加量子隧穿后,z方向不存在超固体.计算结果有助于冷原子实验寻找新的量子相.     

任意子在一维光晶格上的超固体相

任意子是一种具有统计性质介于玻色子和费米子之间的粒子,光晶格上的任意子哈伯德模型具有丰富的量子相,比如动量分布非对称的超流相和配对超流相。文章考虑了任意子之间的排斥相互作用,运用平均场理论研究一维光晶格上的扩展任意子哈伯德模型,给出了系统经典极限相图,以及改变任意子系统相位因子时超固体在参数空间的分布。运用密度矩阵重整化群方法,计算了结构因子和动量随密度和波矢k变化的分布图,发现两者在某些区间同时具有尖峰,表明系统有超固体。此外,计算了不同密度下尺寸为16,24和48的结构因子并对其进行有限尺寸标度,发现在热力学极限下超固体相仍然存在。     

利用三维光晶格技术实现铯原子冷却的实验研究

激光冷却原子是超冷原子分子物理实验的基础,在精密测量、量子模拟等研究中具有重要的意义.为了获得温度更低,密度更高的超冷铯原子样品作为制备超冷基态铯分子的起点,本文实验展示了一种利用三维光晶格装载实现超冷铯原子温度进一步降低的方法,有效克服了磁光阱中超冷原子辐射光子自吸收引起的加热问题.在标准的磁光阱系统中获得超冷铯原子的基础上,利用压缩磁光阱技术提高超冷铯原子的密度.通过四束激光构建三维光晶格,实现超冷铯原子的高效装载,采用飞行时间法测量了原子的温度,观察到温度由~6 0.0μK降低至~1 1.6μK的冷却结果.同时研究了光晶格激光的频率与原子装载数目的关系,发现在负失谐1 5.5GHz时光晶格装载效率最高.同时,本文研究了利用光晶格减小超冷原子辐射光子自吸收引起的加热问题,对于进一步降低铯原子温度的研究具有深远的意义.     

自旋扭曲光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体

研究了自旋依赖双层方形光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates,BEC)的基态特征.双层晶格间的相对扭曲角度和层间耦合强度是影响超冷原子密度分布的重要可调参数.当光晶格的最低能带呈单阱色散时,超冷原子在莫尔晶格(Moire lattice)中的局域化受扭曲角度、层间耦合强度、原子数和晶格深度等的影响;当光晶格的最低能带呈双阱色散时,光晶格的扭曲可导致2个自旋态的反向扭曲,随着层间耦合强度的增加,2个扭曲的自旋态逐渐重合.该研究工作有助于深入探索扭曲光晶格超冷原子中的新奇量子效应.     

一维Rydberg原子—腔系统

原子与腔相互作用系统具有许多物理性质,如态稳定性和量子相变.本文的模型是一维情形下Rydberg原子—腔相互作用系统,并对激发态Rydberg原子与腔场的耦合考虑了Rydberg原子间偶极—偶极相互作用的最近邻项.文中从三个角度对系统Hamilton量进行能量求解,分别是平均场理论,强耦合展开和量子蒙卡模拟,并得到了相应的参数空间量子相图.文中发现了超流相和介于超流相和固态相之间的稳定的超固态相,而且空穴激发的超固态相比粒子激发的更加稳定,不同相的存在和形状受有效化学势影响很大.     

基于耦合腔系统的相互作用自由的全光开关

利用量子干涉效应,在耦合腔系统中提出了一个相互作用自由的全光开关方案。在该方案中,两个腔通过光子隧穿效应耦合起来。当一个控制场与第二个腔中的原子相互作用时,信号光直接被第一个腔反射回去,因此信号光与控制光在原子-腔系统中没有发生直接耦合作用。本文方案即使在原子和腔之间不满足强耦合条件时也可以很好工作,从而放宽了实验条件下实现光开关的腔强耦合条件。     

在玻色-爱因斯坦凝聚态中类Dicke模型的相变

自旋和轨道耦合为中性的超冷原子在玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)中的玻色系统提供了研究的机会.文章研究此类系统的相变和基态性质.首先将它映射到著名的量子光学中的Dicke模型,Dicke模型描述了一个原子系综和单模光场之间的相互作用.Dicke模型的中心问题是预测了超辐射相和一个正常相之间的量子相变.我们研究在自旋和轨道耦合中的类似Dicke模型的量子相变.采用平均场自旋相干态法,特别是考虑原子之间的相互作用,计算出描述系统的相变点和基态性质的物理量如平均光子数,平均基态能量、两种自旋激化等物理量的解析表达式,得到在相变前后物理量变化的趋势图并与实验结果相比较.     

7Li原子的超流-绝缘相变

主要讨论加载在光学晶格中的、具有两体吸引相互作用的7Li原子可能呈现的量子相.我们应用平均场近似得出7Li原子的相图, 该相图与光学晶格中具有两体排斥相互作用原子的相图一样,由超流相和Mott绝缘相组成.同时,我们发现排斥三体相互作用对于稳定光学晶格中7Li原子的量子相有着重要的作用.     

光晶格中三维自旋-轨道耦合费米气体的热力学性质

应用平均场理论研究了立方光晶格中三维自旋-轨道耦合费米气体的热力学性质。通过求解能隙方程和粒子数方程,讨论了自旋-轨道耦合对超流序参数、超流转变温度、等温压缩系数和热力学熵的影响,发现了不同于连续系统的反常行为。当平均占据数接近半满填充时,自旋-轨道耦合会抑制超流的形成,导致超流转变温度降低、等温压缩系数减小、热力学熵增大。这与在连续系统中自旋-轨道耦合总是促进超流的形成,导致超流转变温度升高、等温压缩系数增大、热力学熵减小的结论有明显不同。研究还发现在BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)极限情况下,等温压缩系数跟态密度成正比,因而可通过测量等温压缩系数作为系统是否发生Mott绝缘相变的一个判据。此外,还发现在正常相熵随自旋-轨道耦合强度的变化规律跟超流相正好相反。     

费曼传播子方法研究超流费米原子气体从一维光晶格中释放后的相干演化

文章基于描述零温超流费米气体的序参量方程，通过费曼传播子方法，解析了关闭光晶格和谐振子势后，超流费米原子气体的相干演化，以及仅关闭光晶格，费米超流在谐振子势中的周期演化。     

光学晶格中一维偶极玻色气体的各向异性超流

文章研究了准一维光学晶格中的超冷玻色气体在偶板-偶极相互作用下的超流性质.通过解析分析发现,对于一维铬玻色原子气体,适当调节偶极原子的指向可以抑制超流的发生,在特定夹角处不存在超流.当接触作用与偶极相互作用可以相比拟时该效应最为明显,在实验上可以通过测量粒子流来验证该效应.     

一维准无序光晶格中硬核玻色气体的量子相变

文章研究处于一维准无序光晶格中的超冷玻色气体,主要研究非对角无序强度对强排斥相互作用极限下即硬核玻色气体的基态性质的影响。基于非对角Aubry-André模型,采用严格的数值计算方法,给出了硬核玻色气体的多体基态波函数。超流因子的计算结果表明,随着无序强度的增加,系统基态会发生从超流态到玻色玻璃相的量子相变。此外,计算了单粒子密度矩阵、自然轨道及其占据等物理量来进一步刻画系统基态量子相的性质。     

物理所发现一新量子效应——光子约瑟夫森效应

[物理所]最近，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室刘伍明研究组在光与物质相互作用领域取得重要进展。他们发现在包含冷原子的两个弱耦合微腔的光学系统中可以产生一种新颖的量子效应——光子约瑟夫森效应（Josephson effect of photons），并进一步设计了相干光子干涉器件。     

激子极化激元光子学研究进展

研究光与物质相互作用是腔量子电动力学的一个重要方向.早在20世纪50年代,黄昆先生就提出了固体环境中的光子与晶格连续作用的时间演化图像,并指出光子-声子时间上连续不断的相互转化会在物质中形成声子极化激元波,从理论上计算了声子极化激元波的色散关系.Hopfield把这种图像推广到半导体环境中的光子-激子作用上.随后人们在微腔中实现了单原子、单量子点激子的真空拉比振荡.随着半导体微腔生长和微纳加工工艺的提高,激子极化激元的凝聚、超流、涡旋等宏观量子态被实验证明.通过控制微腔结构和光场调控的手段,人们进一步实现了对宏观量子态的相干调控.有机半导体、钙钛矿、二维半导体等新材料体系展现了极大的激子束缚能,有望实现室温量子器件的制备.微腔激子极化激元的研究进入了黄金时代.本文首先从激子极化激元的基本图像入手,详细介绍激子极化激元的概念、色散关系以及常见的激子极化激元体系.其次,总结了研究微腔激子极化激元的材料体系和实验方法,详细介绍了平板微腔和微纳材料自构型微腔的工作原理和具体实例,以及共焦显微荧光光谱和角分辨荧光光谱.第三,对激子极化激元的量子调控进行了总结.详细介绍了激子极化激元的重要宏观量子态以及通过微纳加工和光场调控的方式对宏观量子态的操控.具体分析了两个量子态操控的实例,包括氧化锌超晶格中多重量子态的制备以及凝聚体的参量散射过程.第四,对新型材料中激子极化激元的研究进行了总结,包括二维半导体、有机半导体和钙钛矿.最后,对本文进行总结,并且从理论、实验的角度分别预测了该领域的发展趋势.     

自旋轨道耦合驱动下二维质量不相等费米气体的拓扑相

用平均场理论研究了二维质量不相等费米气系统的零温特性,该系统具有equal-Rashba-Dresselhaus(ERD)型自旋轨道耦合作用和Zeeman场。在该系统中存在三种不同的超流相(US-0相、US-1相、US-2相),我们通过数值分析能隙方程和粒子数方程组成的自洽方程组,发现二维费米气系统的质量相差越大,Zeeman场对超流序参量Δ的抑制作用就会越强。在弱吸引相互作用区域,随着自旋轨道耦合强度的增加,US-2拓扑超流相会逐渐收缩。自旋轨道耦合强度一定情况下,质量比0λ≤1时,只有在弱吸引相互作用区域存在US-2拓扑超流相;当质量比λ1时,在弱相互作用区域和强相互作用区域都存在US-2拓扑超流相。     

腔中超冷玻色气体的扩展哈伯德模型

最近的实验中,ETH小组成功地将玻色气体载入置于腔中的光晶格中,从而在实验上实现了带有长程相互作用的扩展哈伯德模型。文章基于自洽平均场和微扰法,分析了扩展哈伯德模型的量子相变。基态相图展示了带有CDW态的有趣图案。计算了Mott绝缘相到超流相的临界跃迁振幅和超流相到正常流体的临界温度。进一步研究了在固定化学势(μ=0.5)下超流的热力学性质,其显示了有限温下不同长程相互作用强度对体系的影响。     

冷原子物理

冷原子物理研究冷原子的产生、冷原子的物理特性及冷原子的应用.具体包括:利用激光与原子的相互作用实现原子的激光冷却与磁光囚禁,利用蒸发冷却、协同冷却等新冷却机制实现超冷原子,利用远失谐光偶极阱、光晶格等新囚禁方法囚禁超冷原子;用Feshbach共振方法调节原子之间的相互作用,从而产生超冷分子、三体Efimov态等少体束缚...     

激光冷却原子的新奇量子态与探测

随着原子气体的激光冷却和相干操控技术的飞速发展,冷原子系统的新奇量子态研究以及在量子精密测量的应用均取得了丰硕的成果,例如人造规范势、多体相互作用诱导的拓扑态及拓扑量子相变、冷原子喷泉频标、冷原子干涉仪测量引力常数、魔术波长光晶格频标、冷离子频标、冷原子重力仪、冷原子陀螺仪等.新型冷原子精密测量多次刷新了精密测量的记录,并逐渐成为新的计量标准.基于超冷原子的精密测量为新一代全球卫星导航、深空探测、微重力测量、地震预报、地下油田面积的勘测和油井的定位、工业精密测量与控制等提供新的关键技术.本文重点阐述了激光冷却原子的新奇量子态及探测技术,例如在玻色-凝聚体中产生自旋-轨道角动量耦合;由多体相互作用诱导的拓扑相变;在开通道、闭通道失衡Feshbach共振条件下,体系存在从FuldeFerrell-Larkin-Ovchinnikov超流态到Sarma超流态的量子相变;发展了87Rb原子nP里德堡态的光谱测量、光晶格中超冷原子量子态的探测等手段,并实现了多组分BEC干涉仪.     

非理想腔中光场与非全同双原子系统的量子特性研究

研究两个非等同原子与单模光场在非理想腔中的相互作用,利用间距概念比较了光场的量子信息在相互作用前后的差距,并讨论光场光子数、腔场衰减系数、以及原子耦合系数之比对光场量子特性的影响.结果发现:在非理想腔中,由于耗散的影响,光场的末态与初态的偏离程度呈减幅周期振荡,最后达到稳定值,而且偏离程度幅值随光场平均光子数的增大而增大;偏离程度的振荡周期会随双原子之间的耦合系数(g2/g1)发生变化;其达稳定值所需时间随衰减系数的增大而减小,而耦合系数对光场特性的影响可以忽略.最后,研究腔场的衰减对不同的原子初始纠缠态的纠缠特性的影响.     

自旋轨道耦合BEC系统中类Dicke模型的相变

本文研究了自旋轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚(BEC)系统的基态性质,并把它映射为量子光学中我们所熟悉的Dicke模型(N个二能级原子与光场的相互作用).采用自旋相干态的方法得出系统的基态能量、光子数和自旋极化随拉曼耦合强度的变化关系,从而探测了系统超辐射相和正常相之间的量子相变.