超冷费米原子气体中的维度和强关联效应

Strongly correlated system has been a most challenging field in condensed matter physics. Ultracold atomic Fermi gases have provided an ideal platform for studying, constructing and designing various strongly correlated systems. After rapid development over the past decade, research activities in this field have been intensified and greatly spread into wider areas. Owing to their many extraordinary experimentally controllable parameters, cold atom systems are suitable for studying new physical phenomena under different situations. In this project, we aim to study possible exotic new physical phenomena, arising from the interplay between population imbalance, different spatial dimensionality, spin-orbit coupling, homo- and hetero-nuclear atomic pairing, etc. We shall consider both a single trap and optical lattice cases, as well as dynamics of the system. Apart from the existing pairing fluctuation theory, we will also develop new theories for the cases of spin-orbit coupling and quasi-two dimensional systems, where a proper theory has been called for. Besides addressing existing experimental data, we will make concrete predictions so as to provide guidance for future experiments, and contribute to the advance of quantum physics.

强关联体系一直以来是凝聚态物理领域最具挑战性的一个分支。超冷费米原子气体则为研究、构建和设计强关联系统提供了一个理想平台。经过十几年的快速发展，该分支的研究从深度和广度上均呈现蓬勃之势。由于这一体系拥有众多实验上可调节的参数，因此比较适合于研究在不同参数下的新物理现象。本项目中，我们着重研究在具有粒子数失配、不同空间维度、自旋轨道耦合、同核及异核原子配对等情形与强关联交织在一起时可能出现的新奇物理现象，既考虑单一势阱，也考虑光晶格情形，同时考虑动力学问题。除了利用现有的配对涨落理论外，对于自旋轨道耦合和(准)二维系统等，我们要发展或建立新的理论。在解释已有实验数据的同时，作出明确的理论预言，为未来的实验提供指导，并推动量子物理的发展。

强关联体系一直以来是凝聚态物理领域最具挑战性的一个分支。超冷费米原子气体则为研究、构建和设计强关联系统提供了一个理想平台。经过十几年的快速发展，该分支的研究从深度和广度上均呈现蓬勃之势。由于这一体系拥有众多实验上可调节的参数，因此比较适合于研究在不同参数下的新物理现象。本项目中，我们着重研究了在具有粒子数失配、不同空间维度、晶格-连续维度混合等情形与强关联交织在一起时可能出现的新奇物理现象，既考虑单一势阱，也考虑光晶格情形，同时考虑动力学问题。项目利用现有的配对涨落理论，并针对具有自旋轨道耦合等量子几何拓扑特性的系统和(准)二维系统等进行了发展，取得一系列重要成果，包括（A）建立了包含有配对涨落效应的（准）二维费米系统的BKT超流相变理论，得到与实验一致的结果。发展了量子几何等非平庸拓扑性质影响下的BKT相变理论。（B）研究了混合维度系统中的超流和配对现象，发现了一系列新奇的量子相，研究发现小的粒子数失配可以对超流转变温度有增强效应，此外可以利用大的晶格常数来实现动量空间的压缩从而提高超流转变温度。（C）研究了晶格-连续混合体系中的超流和配对现象，发现了配对密度波等一系列新奇的量子相。对于二维光晶格，在Pauli不相容原理与两个晶格维度的共同作用下，粒子数失配可以有效地抑制配对涨落，从而实现超高的超流转变温度。（D）研究了高粒子数失配度下的FFLO费米超流态，发现在三维和二维连续模型下，基于平均场理论所预言的FFLO超流态本质上是不稳定的。（E）通过对相互作用强度的调制，发现了当调制频率略低于2倍能隙时，可以激发较稳定的Higgs模。（F）进一步完善了费米气体二通道超流理论，使得理论计算与实验测量定量一致，所预言的闭合通道占比与密度的依赖关系获得了实验的定量验证。这些成果具有重要的科学价值，在解释已有实验数据的同时，可以为未来的实验提供指导，并推动量子物理的发展。