【正文】 空間分布，或者來源于激光與原子失諧量的變化。本項目中，我們擬利用銣原子與鐿原子的L型能級結構(S=1/2)與一對拉曼光形成阿貝爾規(guī)范場；還可以利用銣原子的Tripod型能級結構(F=1)以及三束耦合激光形成兩個簡并的暗態(tài)，并通過控制激光的強度分布等產生非阿貝爾規(guī)范場。 （2）量子渦旋的形成與探測：量子渦旋是由規(guī)范場對應的有效磁場產生的激發(fā)態(tài)，其探測方法一般是用常規(guī)的吸收成像技術來記錄自由飛行之后的原子密度分布。對于一維光晶格系統(tǒng)中的渦旋陣列，原子云的密度分布可能無法反映渦旋的存在，但我們以前的理論工作表明可以通過原子云的密度—密度關聯提取渦旋信息。另外，制造有效磁場的激光耦合了原子的不同磁子能級，所以渦旋激發(fā)實驗不宜在通常的靜磁阱中實施；我們擬將銣原子BEC轉移到大失諧光阱中。(10W以上)單縱模激光器可用來囚禁銣原子BEC，還可以做為光晶格光源。 （3）費米鐿原子簡并氣體實驗：通過鐿原子的塞曼減速與兩級激光冷卻，我們已經獲得溫度100mK量級的鐿原子氣體。進一步用波長532nm的高功率激光實現遠失諧光阱（FORT），高斯光束聚焦后可以獲得深度達到mK量級的光阱。蒸發(fā)冷卻可以通過逐步降低光阱深度的方法進行，使原子云溫度降低到1K甚至更低。費米同位素171Yb的蒸發(fā)冷卻可以借助于兩種不同自旋組份的原子之間的s波碰撞。另一種可行方案是利用費米同位素與玻色同位素之間的s波碰撞實施協同冷卻，在足夠低溫度下可以獲得費米—玻色混合簡并氣體。 （4）高強度有效磁場：對于簡并玻色氣體，采用兩束移動和交叉的周期激光，可以實現制備玻色量子霍爾態(tài)所需的高強度有效磁場。對于費米鐿原子簡并氣體，利用較弱的互合躍遷(1S03P1)產生極大抑制光子散射的暗態(tài)，從而得到具備量子相干性的高強度有效磁場，實現分子量子霍爾態(tài)需要的高填充因子（比如5/2的填充因子）；對于171Yb費米氣體而言，超低溫下費米子的泡利阻塞效應極大抑制了原子碰撞效應，也有利于保持人造規(guī)范勢的相干性。 4. 超冷極性分子的實驗平臺。 利用超冷混合原子氣體，甚至是混合量子簡并氣體，通過光晶格、光締合和Feshbach共振等量子調控手段，可以將超冷原子混合氣體制備成超冷極性分子，帶來與原子氣體完全不同的各向異性的長程相互作用，為量子模擬提供豐富的研究體系。 我們將對Rb和Yb原子混合量子簡并氣體進行實驗和理論研究。主要從兩個方面展開：利用Rb和Yb的混合量子簡并氣體進行量子模擬。例如，利用不同的光晶格對兩種原子進行分別控制，用Yb原子的藍光共振性作為“量子探針”對Rb的量子拓撲型激發(fā)進行高分辨觀測；利用Yb原子對磁場的不敏感的特點，對Rb和Yb進行分別的全局量子操作和瞬間分離，分析量子動力學系統(tǒng)以前無法觀測到的瞬態(tài)現象。利用價電子數的差異，構造更為復雜的可控量子系統(tǒng)，對一些新奇量子現象進行模擬。理論分析表明，像RbYb這樣的異核重原子混合是最有效的增強EDM效應的辦法。我們將利用Rb和Yb合成超冷極性分子，研究極性分子的長程相互作用及相關物性。 （1）獲得Rb和Yb原子混合量子簡并氣體的技術途經如下： （i）分別建立Rb原子和Yb原子的塞曼冷卻器和磁光阱。用780nm激光對Rb原子實現塞曼冷卻器和磁光阱，并通過四極磁阱和光偶極阱構成的混合勢阱中實現BEC。用1064nm激光構建Rb原子的光學晶格和無序光晶格，研究Rb原子BEC的量子輸運性質。 （ii）用399nm藍色激光實現Yb原子的塞曼冷卻器，用556nm綠色激光實現Yb原子的磁光阱，用1064nm激光分別將Yb原子俘獲到光偶極勢阱中。 （iii）改建并連接兩套系統(tǒng)，對Rb、Yb原子的同時進行磁光阱冷卻和光偶極囚禁，并實現兩個組份原子的混合，對Rb原子進行蒸發(fā)冷卻，并通過協同冷卻同步降低Yb原子的溫度。通過光締合或Feshbach共振等技術，在光偶極阱或光學晶格中形成超冷RbYb分子。 （2）獲得Li和Cs原子混合量子簡并氣體的技術途經如下： （i）用671nm激光實現Li原子的塞曼減速器和磁光阱；用852nm激光實現Cs原子的二維磁光阱和磁光阱，用1064nm激光形成光偶極勢阱對Li、Cs原子進行囚禁，通過蒸發(fā)冷卻使得Cs原子簡并。用Cs原子協同冷卻Li原子使其達到量子簡并。 （ii）使用大磁場使得Li、Cs原子形成Feshbach共振分子，然后使用相干的雙光子過程（pumpdump）形成基態(tài)的強綁定分子。利用外場調節(jié)分子分子相互作用，使得蒸發(fā)冷卻可以進行，從而達到較高的相空間密度，實現超冷分子的量子相變。 （iii）將超冷分子導入光晶格，研究冷分子在光晶格中的相變過程與參量響應。降低Cs原子密度而使之形成隨機散射點，研究鋰原子在隨機散射場里的滲流相變過程。 本項目的創(chuàng)新點與特色： （1）我們的調控對象一是具有宏觀量子相干性的量子簡并氣體，二是具有大極性的由超冷原子合成的新型分子。 （2）新的量子調控手段，如規(guī)范勢，維度控制和內態(tài)操控等。 （3）新的實驗方法，如利用超輻射觀測量子相變，利用超高分辨率（12微米）的原位測量技術觀察磁疇，利用新的人造規(guī)范場技術研究拓撲態(tài)，制備大極性的RbYb分子等。 （4）注重研究新的物理問題。本項目所涉及的超冷原子系統(tǒng)的玻色量子霍爾態(tài)、阻挫量子相變、維度和磁有序的競爭，電偶長程作用的各向異性效應等是理論上已有一定研究，但實驗上還有待探索的課題。 （5）強調理論和實驗緊密結合。本項目不單獨設立理論課題，理論工作者直接融入各實驗課題，配合并指導實驗。 （6）多學科有機交叉。利用可控的冷原子冷分子系統(tǒng)進行量子仿真，可以充分研究很多在自然界系統(tǒng)中無法調控的物理量，發(fā)掘其物理規(guī)律和本質。同時又可以研究量子力學的基本問題，反映出粒子的量子特性。本項目將原子分子物理、量子光學、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計物理和量子信息等學科有機地結合了起來。 本項目的可行性分析： （1）研究隊伍實力雄厚，學術氛圍良好。項目組成員都是從事冷原子分子研究的第一線科研人員。人員結構合理，有院士、杰青、百人，兼顧了歷史的延續(xù)和老中青結合。研究人員實力很強，隊伍團結，協作密切。 （２）前期的工作積累深厚，在部分實驗技術上達到了國際先進水平。項目組成員多年來一直從事冷原子的實驗和理論研究，進入該領域的國際研究前沿。在實驗技術上，我們已經搭建了4個具有國際先進水平的冷原子實驗平臺。我們的多項工作已在國際上產生重大影響。近年來，項目承擔單位上海光機所、北大、清華、武漢物理所、北京應用物理與計算數學研究所和物理所都投入了大量的人力、物力和財力，為本項目的實施打下了可靠的基礎。 （3）理論實驗相互促進。我們理論工作的預言曾被國際上其它小組實驗證實。例如，我們預言的光晶格中冷原子在能帶間的量子隧穿效應[W. M. Liu et al., PRL 88, 170408 (2002)，被SCI他引102次]在2008年被意大利佛羅倫薩大學G. M. Tino教授的實驗證實[V. V. Ivanov et al., PRL 100, 043602 (2008)]。我們的理論正在和我們當前的實驗有機結合。 （4）各課題組聯系密切。本相目的六家研究單位已經建立了良好的合作關系，在平時的合作中能夠做到互通有無，取長補短，相互影響，共同進步。例如，北京大學得到了初步實驗結果后，邀請物理所的理論研究人員進行解釋，并指導下一步的實驗，已經有部分合作成果發(fā)表，較早的有：W. D. Li, X. J. Zhou, Y. Q. Wang, J. Q. Liang, W. M. Liu, Phys. Rev. A 64, 015602 (2001)；較近的有：X. F. Zhang, Q. Yang, J. F. Zhang, X. Z. Chen, W. M. Liu, Phys. Rev. A 77, 023613 (2008)。又例如，北京大學和北京應用物理與計算數學研究所也有密切的合作，有關玻色—愛因斯坦凝聚宏觀量子隧穿和集體激發(fā)的研究成果發(fā)表在G. F. Wang, D. F. Ye, L. B. Fu, X. Z. Chen, and J. Liu ,Phys. Rev. A 74, 033414 (2006)和G. Q. Li, L. B. Fu, J. K. Xue, X. Z. Chen, and J. Liu. Phys. Rev