光晶格中冷原子以及腔与冷原子耦合体系的多体关联及新奇量子态研究

本项目研究光晶格中超冷原子的新奇量子态和拓扑元激发，揭示冷原子之间的关联效应，并用超冷原子来模拟复杂的物理系统，从而有效地研究不同关联体系中的新奇量子效应，为我们理解分数化涡旋激发、量子磁性、相干量子物理以及实现量子信息和存储，提供了广阔的前景。其次，我们还研究光学微腔阵列中光子的多体关联效应以及通过腔场来探测光晶格中冷原子的量子态。相对于凝聚态物理或冷原子等其他强关联多粒子系统，光学系统具有存取和操纵单个格点的优点，并且它不要求极低的温度，例如纳开尔文温度。因此，它为实验观察量子多体现象和量子信息过程设计提供了一个很好的平台。我们还利用腔增强的非共振光对于冷原子的散射来研究如何在实验上探测光晶格中冷原子的各种量子相，例如电荷密度波，价键固体，以及超固体态，以及极化费米子体系的FFLO态等。这对于未来在实验上实现量子信息操纵，存储以及通讯具有重要的意义。

这个项目的计划是研究光晶格中冷原子以及腔与冷原子耦合体系的多体关联及新奇量子态。在这个项目的执行期间，我们在冷原子自旋轨道耦合和腔与冷原子耦合这两个方向开展了一系列的研究工作，取得了一系列的研究成果。.（一）冷原子自旋轨道耦合. 最近，由于在实验上成功的实现了自旋轨道耦合，自旋轨道耦合立刻引起了人们很多的理论兴趣，但是这些研究都集中在连续体系。我们系统的开展了光晶格上自旋轨道耦合研究：.（1）我们率先推导得到了格点体系Bose和Fermi体系的有效哈密顿量，系统的研究了Bose体系超流绝缘转变的相边界的行为，和这些新奇相的自旋激发。.（2）我们在六角光晶格中加入Rashba-type自旋轨道耦合，研究了Dirac spinors的自旋结构和拓扑特性，为实现自旋输运提供了新的可能。.（3）我们研究了自旋轨道耦合对于光晶格中的费米子具有的重要影响。 表明自旋轨道耦合对于光晶格中的吸引费米子具有双重效应。.（4）我们还系统研究了具有自旋轨道耦合的spin-1 BEC在外部Zeeman场下的基态相图。.（5）我们还研究了具有偶极相互作用的双层超冷玻色子在填充因子等于1/2的量子相变以及相干隧穿。..（二）腔与冷原子耦合体系的多体关联及新奇量子态.在最近几年中，冷原子物理和腔量子电动力学的研究出现了重要的进展和新的变化。我们开展了一系列相关的研究。.(1) 我们系统的研究了一维简并Rydberg气体在一个光学格点势中耦合到一个单模腔场中。我们得到除了Redberg固体相外，还存在超辐射量子相变。.(2)我们系统的研究了1D 简并费米气体在光晶格势中耦合到一个单模腔场的动力学。由于额外光晶格势的出现，系统会出现双稳的密度波态的二阶相变。.(3)我们研究了1D 相互作用玻色子和腔场的耦合。通过调节原子相互作用我们可以实现有效的光力学，振子可以从BEC的激发到TG气体的粒子空穴激发。.(4) 我们研究了1D简并费米气体与腔场的耦合。该体系会出现光力学振荡。利用光力学耦合，我们表明可以实现1D相互作用费米气体的自旋和电荷的分离。..得到这个项目资助的研究成果包括1篇PRL,5篇PRA,1篇New Journal of Physics,1篇European Physics Journal B，完成了项目申请计划书的任务。