自旋-轨道耦合辅助下的超冷转动极性分子的量子相研究

The recent advancement in realizing spin-orbit (SO) coupling for ultracold atomic gases and quantum control of ultracold polar molecules offer remarkable new frontiers and rapidly growing interests for many areas of science. Looking into the future, the integration of these new frontiers research fields may provide some novel ideas and methods for theoretical and experimental research to study a variety of interesting phenomena of ultralow energy physics with a high-precision. In this subject, we will theoretical propose a experimental scheme to create a SO-copled dipolar-spinor model for the bialkali polar molecules. By combination the theoretical derivation and numerical calculation, we plane to explore the novel quantum phases of the ground states and study the interesting spin mixing effect for polar molecules. Furthermore, we will study the topological superfluids of quatum degenerate fermi gases on an optical lattice and deeply discuss the physical mechanism for observed quantum phases, as well as point out the potential application prospects in the future. Explicitly, the main study contents of this project are organized as follows. In the first section, we will propose a scenario to generate a dipolar-spinor condensates with mediated SO coupling. In the second section, we will investigate the ground phase diagrams for this dipolar-spinor model of polar molecules. In the third section, we will study the possible emergent novel topological phases with SO-coupled spinor molecules on a lattice. Finally, we hope that our proposal of SO-coupled dipolar-spinor model for polar molecules may facilitate to development of the ultracold atomic and molecular physics and explore the broad application prospects.

超冷原子气体的自旋-轨道耦合和超冷极性分子气体的量子调控研究作为当前超低温物理领域中两个重要的科学前沿，吸引着越来越多的研究兴趣。展望未来，这两个前沿领域的交叉结合必将给理论和实验研究提供一些新的思路和手段去研究各种超低能量尺度下的高精密物理现象。本项目将从理论上研究实现自旋-轨道耦合辅助下的偶极-旋量极性分子模型的方案。结合理论推导和数值计算，研究体系的新奇基态量子相和有趣的自旋混合性质。紧接着，研究体系在光晶格中存在的拓扑超流性质，并深入探讨量子相的物理机制和效应，以及潜在的应用前景等。本项目的具体研究内容包括：（1）实现自旋-轨道耦合辅助下的偶极-旋量极性分子方案；（2）研究偶极-旋量体系中新奇量子相；（3）研究光晶格中自旋-轨道耦合辅助下的旋量分子气体中的拓扑相。希望通过本项目的研究推动和促进超冷原子、分子物理的发展并发掘其广阔的应用前景。

超冷原子气体玻色-爱因斯坦凝聚的成功实现，在对传统的原子、分子、光学物理产生了巨大影响的同时，也对目前的量子信息科学产生了极大的促进作用。冷原子作为一个理想的平台打开了一扇以高度可控的方式去实现各种有趣的凝聚态物理模型的大门。在过去几年中，一个特别吸引人的例子就是：在超冷原子气体中去构造阿贝尔或者是非阿贝尔规范场方面的研究迅速吸引了人们的兴趣和热情。特别是最近实验上在超冷原子凝聚体中实现自旋- 轨道耦合方面取得的巨大成功，给我们提供了一个独一无二的机会去研究一系列的多体物理，比如构建新奇的拓扑超流和Majorana 费米子。同时，由于具有拓扑保护的激发，近些年来拓扑绝缘体和拓扑超导吸引了越来越多的研究兴趣。正是由于自旋-轨道耦合在超冷原子气体中的成功实现，为研究各种拓扑超流物理提供了一个全新的机会。..除了超冷原子气体，最近实验上成功实现将超冷极性分子冷却到其对应的超精细振转基态，使其提供了一个前所未有的新的科学前沿，比如研究超冷化学和碰撞、量子信息过程、量子磁性的模拟、以及精密测量物理等。特别是，由于极性分子具有丰富的内态和大的固有电偶极矩，可以用来研究一系列类似于原子磁偶极的效应，比如自发退磁、费米面变形、和自束缚的量子液滴等。加上实验上对单个超精细能级的强大操控能力，使得超冷极性分子可以作为一个非常理想的平台去研究一系列的强关联多体物理。..在这个项目中，我们主要关注以下三个方面的问题（1）超冷极性分子凝聚体中的自旋轨道耦合；（2）拉曼辅助自旋-轨道耦合体系中的新奇拓扑态；（3）一维费米原子磁通晶格体系中的拓扑态调控。最后，希望通过对本项目的研究推动和促进超冷原子、分子物理的发展并发掘其广阔的应用前景，同时进一步增加对拓扑量子物态中相关问题的理解和认识，并不断拓展了偶极旋量量子气体的这一新的研究课题。