超冷原子氣體中的量子調(diào)控研究

1、超冷原子氣體中的量子調(diào)控研究 量子調(diào)控是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子通信以及量子模擬的重要基礎(chǔ)。 一方面 , 它要求被調(diào)控的系統(tǒng)本身具有量子特性。比如多體量子系統(tǒng) 應(yīng)滿足玻色 -愛因斯坦統(tǒng)計(jì)或費(fèi)米 -狄拉克統(tǒng)計(jì) ,而非經(jīng)典的玻爾茲曼 統(tǒng)計(jì)。另一方面 , 量子調(diào)控還要求我們可以通過多種實(shí)驗(yàn)手段來控制 系統(tǒng)的量子態(tài) , 比如粒子的內(nèi)部自由度 （ 內(nèi)態(tài)）, 外部自由度 （空間位置 和動(dòng)量）, 粒子間的相互作用等等。得益于量子調(diào)控各種技術(shù)的發(fā)展 , 如今的超冷原子氣體已經(jīng)可以充分地滿足上述兩個(gè)條件 , 并成為最有 潛力的量子模擬平臺(tái)之一。通過激光冷卻和蒸發(fā)冷卻技術(shù) , 人們相繼 在 1995 年和 2003 年

2、實(shí)現(xiàn)了玻色愛因斯坦凝聚和簡并費(fèi)米氣體 , 兩者 都呈現(xiàn)出了宏觀的量子力學(xué)性質(zhì)。而在調(diào)控手段方面, 近些年來用于操控超冷原子氣體的“工具箱”也日益豐富。對(duì)于原子內(nèi)態(tài) , 我們不 僅可以單獨(dú)控制原子在不同能級(jí)之間的躍遷 , 還可以通過人工規(guī)范場 把原子的內(nèi)部能級(jí)與外部自由度 （動(dòng)量）耦合起來 ,實(shí)現(xiàn)固體系統(tǒng)中常 見的自旋軌道耦合。對(duì)于原子間相互作用，除了傳統(tǒng)的磁Feshbach共 振中磁場對(duì)堿金屬原子之間兩體散射長度的調(diào)節(jié) , 人們還發(fā)展出了光 Feshbach 共振 , 軌道 Feshbach 共振等手段實(shí)現(xiàn)不同原子系統(tǒng)中對(duì)相 互作用不同方式的調(diào)節(jié)。此外 , 開放系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究的快速發(fā) 展

3、使得人們開始思考把非厄密調(diào)控引入超冷原子系統(tǒng)。 2016 年人們 成功地在超冷原子氣體中實(shí)現(xiàn)了非厄密的哈密頓 , 這也進(jìn)一步豐富了 基于冷原子氣體的量子調(diào)控手段。結(jié)合量子調(diào)控的實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展 , 本 論文研究了若干超冷原子系統(tǒng)中的新奇量子現(xiàn)象并充分分析了其物理內(nèi)涵, 具體的研究課題如下 :1. 自旋軌道耦合下玻色愛因斯坦凝聚 體的淬火動(dòng)力學(xué)我們首先研究了具有人工自旋軌道耦合作用的玻色 愛因斯坦凝聚體的淬火動(dòng)力學(xué)。我們采用自洽的 Bogoliubov 方法來 處理動(dòng)力學(xué)過程。我們研究了當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)突然變化后 , 凝聚部分比例 和粒子的動(dòng)量分布隨時(shí)間的變化。 通常在長時(shí)極限下系統(tǒng)會(huì)趨于穩(wěn)態(tài) 其凝聚部分

4、比例不再隨時(shí)間變化 , 而粒子數(shù)的動(dòng)量分布依舊隨時(shí)振蕩。 我們也研究了不同的淬火參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)中凝聚部分比例的影響。此外 , 我們發(fā)現(xiàn)長時(shí)極限下振蕩的動(dòng)量分布對(duì)時(shí)間的平均值可以由廣義吉 布斯系綜來描述。2.通道間耦合調(diào)控的Feshbach共振基于（類）堿土 金屬原子氣體中軌道Feshbach共振的理論實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，我們提出了一 種可以通過耦合不同散射通道的散射態(tài)來控制系統(tǒng)兩體相互作用的 新型光控Feshbach共振。這一方案可以很容易地在軌道 Feshbach共 振的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。以173Yb原子為例,我們看到共振位置和兩體束縛 態(tài)能量都敏感地依賴于通道間耦合強(qiáng)度 , 這為調(diào)節(jié)原子間相互作用提 供了更多

5、控制參數(shù)。我們還證明了這種光控Feshbach共振對(duì)多體過程（如極化子到分子過渡和BCS-BE（渡越）的巨大影響。3.（類）堿土金 屬原子氣體中軌道Feshbach共振附近的自旋雜質(zhì)問題我們刻畫了 （類）堿土金屬原子氣體中軌道Feshbach共振附近排斥型極化子的各 種性質(zhì)。作為能量為正的亞穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)粒子激發(fā) , 排斥型極化子是由雜質(zhì) 原子和費(fèi)米海之間的相互作用引起的。 通過詳細(xì)分析排斥極化子的能 量,極化子殘留，有效質(zhì)量和衰減率，我們揭示了與軌道Feshbach共 振的雙通道性質(zhì)密切相關(guān)的有趣特征。我們發(fā)現(xiàn) , 隨著磁場的增加 , 排斥極化子壽命的變化是非單調(diào)的，并且在共振的BEC側(cè)具有最大值 此外, 通過考慮雜質(zhì)和多數(shù)原子的混合態(tài)相對(duì)相分離態(tài)的穩(wěn)定性 , 我 們證明在適當(dāng)?shù)拿芏认?，軌道Feshbach共振附近可能存在巡游鐵磁 相。4. 非厄密疇壁系統(tǒng)中的非布洛赫拓?fù)鋽?shù)基于冷原子系統(tǒng)中模擬非 厄密哈密頓量和拓?fù)湎嘧冄芯康睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)進(jìn)展 , 我們研究了非厄密 Su-Schieffer-Heeger 模型疇壁邊界條件下的非布洛赫體 -邊對(duì)應(yīng)原 理。在系統(tǒng)保持有手征對(duì)稱性的情況下 , 我們發(fā)現(xiàn)體系中存在非厄密 趨膚效應(yīng) , 且非布