激光辅助冷原子系统及腔与冷原子耦合体系的量子模拟

In this program, we focus on the quantum simulations on the equilibrium and non-equilibrium many-body problems in the newly-developed laser-assisted cold atoms and atom-cavity systems. On one hand, the laser-assisted atomic tunneling can change the single particle state via dressing the tunneling process, effectively inducing the synthetic gauge field and spin-orbit coupling (SOC). Due to the avoiding of heating brought by the resonant processes, it is very promising to simulate the many-body SOC effects in this system. As examples, we would systematically investigate the finite-momentum superfluidity and impurity problems in the laser-assisted Fermi gases and the unique properties of the ground states and excitations in the laser-assisted dipolar and multi-component Bose gases. On the other hand, the intrinsic dissipation and the well-controlled tunability of the optical cavity make the hybrid atom-cavity system be an ideal platform to simulate quantum non-equilibrium physics. We would take the dynamical superradiance transition of a disorder system, the optomechanics of a Raman-coupled Bose-Einstein condensate, and the cavity-assisted dynamical gauge field as examples to show the important non-equilibrium phenomena emerging in this system. These researches would be beneficial for the deep understanding of the SOC physics in the laser-assisted cold atoms and the dissipation-driven non-equilibrium physics in the atom-cavity systems, and significantly advance the quantum simulations and manipulations with cold atoms.

在本项目中，我们将围绕最近发展的激光辅助冷原子系统及原子腔耦合体系的平衡和非平衡多体问题的量子模拟展开研究。一方面，激光辅助原子隧穿的方法通过对原子隧穿过程进行缀饰来改变单粒子态，可以有效的实现人造规范场和自旋轨道耦合。由于避免了共振过程产生的加热效应，在这个系统中模拟多体自旋轨道耦合效应变得很有前景。我们将系统研究激光辅助费米气体的有限动量超流和杂质问题以及激光辅助偶极气体和多分量玻色气体的基态和激发态性质等。另一方面，由于腔的内秉耗散和良好的操控性，腔与冷原子耦合体系提供了一个模拟量子非平衡物理的理想平台。我们将以无序体系的动力学超辐射转变、拉曼耦合玻色爱因斯坦凝聚体的腔光力学和腔支持的动力学规范耦合等重要的非平衡现象为例进行研究。本项目的研究成果将有助于加深对激光辅助冷原子系统中自旋轨道耦合物理和原子腔系统中耗散驱动的非平衡物理的理解，对于冷原子量子模拟和调控具有重要的科学意义。

近年来，激光辅助的冷原子自旋轨道耦合和动力学自组织转变的实现为平衡和非平衡多体问题的量子模拟提供了新的机遇。在本项目中，我们围绕激光辅助的冷原子系统和腔与冷原子耦合系统中的量子多体问题展开研究，在自旋轨道(角动量)耦合的费米超流、无序玻色爱因斯坦凝聚体和超流费米气体的动力学超辐射等方面取得了有代表性的研究成果。具体来说：(1)我们发现了原子玻色爱因斯坦凝聚体的无序势超辐射增强效应，揭示了局域化态诱导的超辐射不稳定性;(2)我们预言了自旋-轨道角动量耦合吸引费米气体中由有限角动量配对机制产生的具有分立旋转对称性的奇异涡旋态;(3)我们发现激光辅助的双层系统中，赝自旋轨道耦合诱导的破缺连续平移对称的有限动量Larkin-Ovchinnikov超流。此外，我们还在一维自旋轨道耦合费米气体杂质问题、光晶格中p轨道费米气体的拓扑物态和费米气体超辐射等方面做出了原创性研究成果。这些结果有助于加深对激光辅助冷原子系统中自旋轨道耦合物理和原子腔系统中耗散驱动的非平衡物理的理解，对于冷原子量子模拟和调控具有重要的科学意义。