光晶格长程相互作用支配的自旋量子态的操控研究

Optical lattice is attracting more and more interest in different fields, including atomic physics,condensed state,solid state physics, precision measurement,quantum information and so on. The principal cause is that the optical lattice has some unique virtues such as purity, being easy controllable and so on. By tuning the interactions between the atoms, new quantum spin state can be prepared to improve the measurement accuracy and fidelity of information. An evident difference between the optical lattice and lattice in solid state physics is coupling interaction between two different sites, people customarily only consider exchange interaction in solid state physics, which works only at nearest sites or next-nearest sites. Contrarily, the spin couplings in optical lattice must be long-range due to existence of magnetic dipole-dipole interaction and light-induced dipole-dipole interaction. It is shown that the long-range dipole-dipole interactions play an important role in macroscopic quantum characteristics. Under the condition of strong magnetic field,these systems are similar to spin chains in condensed state. In most theoretical works about these systems, the dipole-dipole interaction is customarily ignored or treated with nearest approximations. This proposal aims at studying the effect of the long-range dipole-dipole interactions on spin dynamics of trapped atoms in optical lattice and searching proper manipulation for dipole-dipole interaction. The studying strategy we will take is to combine theoretical derivation and numerical simulation, in which the mean-field theory and full quantum method will be used. The time evolving block decimation algorithm and the genetic algorithm will be employed in our numerical simulation. We will develop new theoretical frameworks for these systems. Besides,the applications of the results in quantum information and precision measurement will also be explored.

原子光学晶格系统由于其没有缺陷,容易调控等性质，成了原子物理，凝聚态物理，固体物理，精密测量以及量子信息领域中的研究热点之一。通过调控原子间相互作用制备量子态可以提高测量精度或者信息的保真度。与格点间只有短程交换相互作用的固体晶格相比，光晶格中旋量原子之间还存在着长程磁偶极-偶极相互作用和光诱导的偶极-偶极相互作用。过去的很多工作中长程偶极相互作用不是被忽略就是被取了短程近似。本项目将首先在理论上研究长程偶极-偶极相互作用对光晶格中旋量原子气体的自旋动力学的影响，同时探索如何对偶极-偶极相互作用实现有效的操控从而制备新的自旋量子态。项目的研究主要采用理论推导和数值计算相结合的办法，理论方法包括平均场方法和全量子处理，主要的数值方法是时间演化分块算法和遗传算法。本项目的理论参数将参考最新的实验数据，研究成果将拓展现有的理论同时亦对相关的量子信息和精密测量实验起指导作用。

光晶格中的超冷旋量原子气体是原子物理，凝聚态物理，固体物理，精密测量以及量子信息领域研究热点之一。通过调控原子间相互作用制备量子态可以提高精密测量的精度或者信息的保真度。.本项目完成的第一部分着眼于长程光诱导的偶极-偶极相互作用和磁偶极-偶极相互作用这俩过去常被忽略的因素，研究它们对光晶格中超冷旋量原子气体的自旋动力学的影响。我们研究了旋量原子自旋链中的局域非线性激发的的性质，研究表明通过调节长程偶极－偶极相互作用可在光晶格旋量原子系统中观察到局域的自旋波模。与此同时，我们还观测到了该局域模在外加磁场条件下的劈裂现象。为了实验观测的需要，我们给出了该局域态存在的区间。我的研究会给凝聚态物理学家一些新的启示，也会对人们对元激发这一基本物理的探索提供有力的帮助。由于旋量BEC的原子自旋链中的自旋耦合的强度可以通过外部控制来进行改变，因此和固体磁性材料中不易控制的自旋耦合作用的自旋链相比，旋量BEC的原子自旋链为晶格系统中的自旋动力学的研究提供了一个有效的工具。.项目的第二部分着眼于将对长程偶极－偶极的操控应用到干涉仪系统中去。为了更好的研究偶极－偶极相互作用的影响，我们研究了具有更大偶极相互作用的极性分子进行研究。研究表明，通过精细设计外部的囚禁势，已经调控外部极化场的方向可以使偶极－偶极相互作用由强到弱发生变化，也可以从吸引到排斥。对于干涉条纹来讲，在对称的势阱中偶极－偶极相互作用会使干涉条纹的形状和周期发生改变，而在非对称的势阱中，干涉条纹会发生明显的平移。提高干涉仪的精度是一个大家共同追逐的目标，这里除了改善现有原子干涉仪的方案之外,发展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干涉仪未来的主要发展趋势.这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法.采用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子或者分子干涉仪研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比.在原子操纵方面,原子微结构磁囚禁和导引可以极大地提高人们对原子的操纵能力,有利于发展小型化原子干涉仪..本项目研究按原计划开展，项目的研究成果也将对超冷旋量原子在非线性量子光学、量子信息科学、精密测量等领域的研究具有重要的指导意义。