基于超冷碱土金属原子气体的近藤效应研究

Kondo effect is an important many-body phenomenon, which plays crucial role in the understanding of strongly-correlated system. Cold atomic physics is featured by its high tunability. Exploring the Kondo effect in cold atomic system may result in some unprecedented phenomena and is of great academic significance. However, being subjected to three-body loss and low Kondo temperature, Kondo effect have not yet been observed in cold atomic experiment. This project aims at studying Kondo effect in ultraclod alkaline-earth-metal atomic gas. According to the roadmap of "From few to many", we firstly investigate scattering problem in quasi-low mixed dimension. We will reveal the relation between laser intensity and spin-exchange interaction strength, construct the Kondo model, obtain the optimal parameters and find the universal laws of scattering problem in quasi-low mixed dimension. Based on the few-body result, we will analysis the Kondo model, find the relation between Kondo temperature and the interaction strength and obtain the phase diagram of the Kondo model. At last, we will study the transport properties, radio frequency spectrum of this system and propose how to detect Kondo effect in this system.

近藤效应是一种非常重要的量子多体现象，对理解强关联体系起到了关键作用。冷原子物理具有易操控的优点，在该系统中开展近藤效应研究，有助于发现近藤效应带来的新物理现象，具有重要的学术意义。但是，受限于三体损失和近藤温度太低等因素，在冷原子实验中尚未观测到近藤效应。本项目拟开展基于超冷碱土金属原子气体的近藤效应研究。本着从“少体到多体”的研究思路，首先开展准低维混合维度系统中散射问题研究，揭示自旋交换相互作用随激光强度的变化规律，构造近藤模型，探索观测近藤效应的最优参数窗口，凝练出准低维混合维度系统中散射问题的一般性规律。根据少体问题研究成果，通过开展对近藤模型的理论研究，掌握近藤温度随相互作用强度的变化规律，获得近藤模型相图。最后，通过开展对该体系输运性质和杂质射频谱学的研究，提出基于该体系观测近藤效应的理论方案。

近藤效应是人们长久以来关心的重要量子多体现象，深入开展近藤效应研究对理解强关联体系具有关键作用。考虑到冷原子物理具有系统纯净、易操控等优点，基于该系统，人们开展了丰富的少体问题和量子多体问题研究，比如玻色-爱因斯坦凝聚、BCS超流，Efimov态、人工规范势以及拓扑态等。因此，冷原子物理已经被证明是开展量子物理研究的理想平台，在该系统中开展近藤效应研究，有助于发现近藤效应带来的新物理现象，进一步丰富人们对近藤物理甚至强关联物理认识。但是，受限于三体损失严重和近藤温度太低等不利因素，在冷原子实验中尚未观测到近藤效应。由于碱土金属原子具有天然的自旋交换相互作用，被学术界公认为是在冷原子系统中开展近藤效应研究的理想平台。本项目基于超冷碱土金属原子气体开展了近藤效应研究。具体而言，为了调控自旋交换相互作用，进而探寻提高近藤温度的方案，负责人研究了准1+0混合维度中的散射问题，揭示了自旋交换相互作用随纵向约束势以及钟态原子额外约束势的变化规律；为了开展该系统中的量子多体问题研究，负责人构造了基于碱土金属原子的近藤模型，明确了模型中各参数随约束势的变化规律；为了在冷原子系统中探测近藤效应，负责人开展了该系统中的输运性质研究，发现了约束诱导共振导致的电导率不对称性；为了丰富自旋交换相互作用的调控方案，负责人研究了玻色费米混合气体中的原子-分子散射问题，提出了利用Efimov效应增强自旋交换相互作用的理论方案。项目实施以来，共发表论文14篇，部分研究成果已经得到实验证实，推动了基于碱土金属原子开展近藤效应研究的实验进展。根据负责人的理论成果，来自德国慕尼黑大学的实验组在Yb原子气体中成功地观测到了由于约束诱导共振导致的自旋交换相互作用增强效应。这一发现被认为是该领域的突破性进展。该系统中的近藤温度有望提高到目前冷原子实验中可以得到的温度，为在该系统实现并探测近藤效应奠定了基础。