【正文】 關(guān)的磁單極子的量子動力學(xué)；研究簡并原子氣體中拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)方案、量子動力學(xué)和可觀察效應(yīng)；結(jié)合已完成的研究內(nèi)容，就拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用等方面進(jìn)行研究；結(jié)合新的科學(xué)前沿問題，進(jìn)一步理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合探索量子多體仿真。（1）通過分析外場對光晶格中冷原子鐘躍遷譜線的影響，實(shí)現(xiàn)對鐘躍遷頻率的精密測量，并加深對其中物理機(jī)制的深入理解。通過操控外磁場，觀測鐵磁系統(tǒng)中磁疇的演化，以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)的特性。探索簡并銣原子氣體在人造規(guī)范場作用下的玻色量子霍爾態(tài)。（2）實(shí)現(xiàn)Yb費(fèi)米氣體的人造規(guī)范場。明確超冷費(fèi)米氣體中量子霍爾態(tài)的基本性質(zhì)。 （3）探索獲得超冷RbYb分子的技術(shù)方法，爭取實(shí)現(xiàn)極性冷分子。 獲得RbYb分子之后并對其物理性質(zhì)，例如，偶極相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，為進(jìn)一步基于新型分子的量子仿真和精密測量搭建初步實(shí)驗(yàn)平臺。從而建立基于超冷分子的量子仿真實(shí)驗(yàn)平臺, 為極性分子動力學(xué)、超冷化學(xué)等研究奠定基礎(chǔ)。操控超冷分子，結(jié)合光晶格研究冷分子作為量子計(jì)算單元的可能。 （4）明確簡并原子氣體中磁單極子的新奇現(xiàn)象；明確簡并原子氣體中拓?fù)浣^緣體的量子動力學(xué)行為；明確集體性超冷化學(xué)反應(yīng)中的多通道超選擇（Superselective）定則與量子尺寸效應(yīng)等新效應(yīng)。 （5）完成項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收。一、研究內(nèi)容本項(xiàng)目將依托國內(nèi)已經(jīng)建立的4個(gè)原子BEC平臺，充分考慮到國家在重要前沿科學(xué)學(xué)科布局和發(fā)展高新技術(shù)的重大需求，圍繞多體關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的量子態(tài)和奇異物性這一研究中心，在具有不同特色又緊密相連的4個(gè)超冷原子、分子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺上，研究光晶格中的量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，低維系統(tǒng)的量子磁性，人造規(guī)范場中的玻色量子霍爾態(tài)的新奇量子現(xiàn)象和物理機(jī)理，極性分子系統(tǒng)的長程偶極相互作用的物理效應(yīng)等問題。這些研究將使得超冷原子、分子體系在量子仿真、超冷化學(xué)、精密測量等重要研究領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用并開辟嶄新的研究方向。通過集中研究具有宏觀量子相干性的超冷原子、分子系統(tǒng)，特別是該系統(tǒng)中新量子態(tài)的制備、物性和操控，本項(xiàng)目擬解決的核心科學(xué)問題是探索超冷原子、分子系統(tǒng)中的新奇物質(zhì)態(tài)及其物理規(guī)律。為此，我們需要利用冷原子系統(tǒng)調(diào)控手段的靈活性，操控該量子多體系統(tǒng)的幾何構(gòu)型、維數(shù)、相互作用和內(nèi)部自由度，發(fā)展人造規(guī)范勢、光締合、Feshbach共振、無序等調(diào)控方式和新的測量方法如超高空間分辨率的原位測量、高靈敏超輻射散射譜。我們結(jié)合已有的4個(gè)超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺各自的特色和前期工作基礎(chǔ)，從不同角度切入該核心科學(xué)問題。主要研究內(nèi)容： 1．光晶格中超冷原子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)與量子相變。 （1）通過調(diào)節(jié)激光波長來調(diào)控晶格參數(shù)，研究晶格參數(shù)對量子態(tài)的影響；研究具有不同幾何結(jié)構(gòu)的光晶格中的冷原子系統(tǒng)的量子態(tài)。（2）研究自旋氣體（Spinor Gases）的相變機(jī)理，仿真Hubbard模型；通過改變磁場強(qiáng)度，調(diào)節(jié)光晶格中原子間的散射長度，實(shí)現(xiàn)凝聚體從環(huán)狀態(tài)到鐵磁態(tài)以及反鐵磁態(tài)的相變。（3）研究二維光晶格中的阻挫態(tài)的物理機(jī)理；通過調(diào)節(jié)不同方向光晶格激光的光強(qiáng)，形成不同方向光晶格原子之間的不同隧穿粒子流，觀察凝聚體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài)，以及到共線態(tài)的轉(zhuǎn)變，并研究它們的相變機(jī)理。（4）探索利用超輻射散射、Raman散射等方法探測光晶格中各種奇異物態(tài)相變的新方法。通過對光信號合作輻射放大的探測手段和方式，測量不同晶格間原子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及動力學(xué)特性。（5）結(jié)合Feshbach共振，研究光晶格中原子的光頻移和碰撞頻移。 2．簡并原子氣體的量子磁性和無序性質(zhì)。 （1）在已有的玻色—愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)裝臵上搭建二維光晶格，通過強(qiáng)徑向束縛，使得原子的能量遠(yuǎn)低于對應(yīng)的能級劈裂，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)一維量子簡并系統(tǒng)。（2）用徑向束縛勢調(diào)節(jié)原子的等效相互作用。（3）利用兩束交叉強(qiáng)激光光束形成緊束縛的一維周期勢，或者利用柱透鏡實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈匯聚的柱狀高斯光束，搭建準(zhǔn)二維量子簡并系統(tǒng)。（4）發(fā)展超高空間分辨率的原位測量技術(shù)，選擇合適的低維系統(tǒng)幾何參數(shù)，把BEC調(diào)節(jié)到適合光學(xué)成像的尺寸，搭建分辨率達(dá)到微米量級的光學(xué)吸收成像系統(tǒng)，用于直接觀測低維量子簡并系統(tǒng)的密度分布。（5）利用帶自旋的冷原子系統(tǒng)來模擬磁交換系統(tǒng)并調(diào)控其維度。研究系統(tǒng)從一維到二維乃至三維渡越時(shí)，系統(tǒng)從無序到有序的轉(zhuǎn)變過程，元激發(fā)從spinon到magnon的轉(zhuǎn)化，研究量子漲落和磁有序的競爭。同時(shí)，研究帶自旋的冷原子系統(tǒng)中的交換作用誘導(dǎo)的新量子態(tài)和量子相變，確定相應(yīng)的臨界指數(shù)和標(biāo)度行為。研究高自旋冷原子系統(tǒng)中的配對機(jī)制，不同有序態(tài)的競爭和基態(tài)性質(zhì)。（6）通過操控外磁場，研究二維量子簡并氣體系統(tǒng)的鐵磁性，觀察磁疇的演化，研究渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)的特性。（7）通過用毛玻璃產(chǎn)生無序勢，研究Anderson局域化和玻色玻璃態(tài)，調(diào)控延展態(tài)和局域態(tài)。 3．人造規(guī)范勢中簡并玻色和費(fèi)米原子氣體的實(shí)驗(yàn)平臺和拓?fù)鋺B(tài)性質(zhì)。 （1）研究玻色以及費(fèi)米簡并原子氣體中產(chǎn)生阿貝爾、非阿貝爾人造規(guī)范勢、新奇周期性有效磁場的實(shí)用方案；進(jìn)一步通過尋找合適的暗態(tài)延長原子云的壽命和相干時(shí)間，從而研究實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度有效磁場的實(shí)驗(yàn)手段。（2）基于人造規(guī)范勢中的銣原子玻色—愛因斯坦凝聚氣體，研究人造規(guī)范勢驅(qū)動下激發(fā)渦旋的動力學(xué)過程；研究不同有效磁場強(qiáng)度作用下渦旋晶格、玻色量子霍爾態(tài)等拓?fù)鋺B(tài)的基本性質(zhì)；結(jié)合光晶格，研究產(chǎn)生量子渦旋陣列的實(shí)驗(yàn)手段及其新奇量子相變行為。（3）基于人造規(guī)范勢中的鐿原子簡并費(fèi)米氣體，研究量子霍爾態(tài)、分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)、磁單極子等拓?fù)鋺B(tài)的實(shí)驗(yàn)機(jī)制和基本性質(zhì)?；谌嗽煲?guī)范勢中的拓?fù)鋺B(tài)，對分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等開展量子仿真研究。（4）進(jìn)一步結(jié)合人造規(guī)范勢，研究簡并原子氣體中拓?fù)浣^緣體的制備方案、探測手段與動力學(xué)性質(zhì)，并探索其在信息存儲方面的應(yīng)用機(jī)制。基于阿貝爾和非阿貝爾任意子，探索其在拓?fù)淞孔佑?jì)算方面的應(yīng)用機(jī)制。 4．超冷極性分子的制備和物性研究。 （1）研究Rb原子和Yb原子的共同冷卻、俘獲和混合的實(shí)驗(yàn)方法；研究Rb原子量子簡并氣體在磁光混合阱中的相變，在周期性和無序光晶格中的輸運(yùn)性質(zhì)； （2）研究Rb—Yb原子的超冷碰撞性質(zhì)，包括散射長度測量、光締合、Feshbach共振等；研究RbYb分子形成的實(shí)驗(yàn)方法及RbYb分子的冷卻方法；（3）研究Li、Cs原子的共同冷卻、囚禁和混合，獲得Cs原子的簡并。用Cs原子協(xié)同冷卻Li原子使其達(dá)到量子簡并。通過磁場Feshbach調(diào)控技術(shù)形成Li, Cs的共振分子，使用相干的雙光子過程形成基態(tài)的強(qiáng)綁定分子。 本項(xiàng)目一方面研究關(guān)聯(lián)冷原子分子系統(tǒng)中的新奇物理性質(zhì)，另一方面進(jìn)行量子仿真研究，希望解決原子分子光物理和凝聚態(tài)物理中的一些重大科學(xué)問題。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題： 1．簡并量子氣體的操控、物性研究和仿真。 （1）通過Feshbach共振調(diào)控原子間相互作用和通過光晶格調(diào)控超冷原子系統(tǒng)的維度和幾何構(gòu)型的技術(shù)；（2）通過光的超輻射方法來測量不同格點(diǎn)間的量子關(guān)聯(lián)；（3）二維光晶格中的阻挫態(tài)的量子相變和物理機(jī)理；（4）一維光晶格中的旋量凝聚體(Spinor Condensates)從環(huán)狀態(tài)到鐵磁態(tài)以及反鐵磁態(tài)的相變特性；（5）光晶格中冷原子的光頻移和碰撞頻移的精密測量。 2．低維簡并量子系統(tǒng)的研究和超高空間分辨率的原位探測技術(shù)的發(fā)展。 （1）利用強(qiáng)的光學(xué)束縛勢實(shí)現(xiàn)低維簡并量子系統(tǒng)；（2）提高光強(qiáng)穩(wěn)定性，抑制自發(fā)輻射，以保證原子系統(tǒng)足夠長的相干時(shí)間；（3）搭建超高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)；（4）通過原位測量二維量子簡并系統(tǒng)中的磁疇及其演化，研究量子磁性和拓?fù)湎嘧?；?）實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的維度渡越，研究系統(tǒng)的長程有序態(tài)和系統(tǒng)維數(shù)的關(guān)系。 3．人造規(guī)范場的量子調(diào)控技術(shù)。（1）產(chǎn)生人造規(guī)范勢（包括均勻有效磁場與周期性有效磁場）的有效途徑；（2）改善暗態(tài)控制，增加人造規(guī)范勢的相干作用時(shí)間；（3）尋找簡并原子氣體的玻色量子霍爾態(tài)、分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)和拓?fù)浣^緣體的有效產(chǎn)生機(jī)制和可觀察效應(yīng)；（4）用于精細(xì)觀測人造規(guī)范勢導(dǎo)致的量子多體態(tài)及其動力學(xué)行為的高分辨率（23微米）成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)。 4．超冷極性分子的制備和物性研究。 （1）Rb、Yb原子的共同冷卻、俘獲和混合的實(shí)驗(yàn)方法；（2）Rb、Yb原子的超冷碰撞參數(shù)測量，RbYb分子形成的實(shí)驗(yàn)方法；（3）尋找合適的手段，進(jìn)行RbYb分子的進(jìn)一步冷卻；（4）Li、Cs原子的共同冷卻、俘獲和混合及LiCs分子形成的實(shí)驗(yàn)方法；（5）超冷極性分子的長程相互作用的調(diào)控手段。20 / 20