自旋轨道耦合超冷原子的量子效应及其在量子模拟中的应用

Synthetic spin-orbit coupled (SOC) ultra-cold atoms, with the highly tunable characteristics, provide the effective platform to simulate new phenomenon beyond the traditional condensed matter physics and are the important resources to realize topological quantum computation as well. The present research on SOC ultra-cold atoms doesn’t take the dynamic response into consideration when the light travels in the ultra-cold atoms. Recently we have studied the nonlinear quantum effect and SOC quantum effect. The objective of this project is to study new many-body quantum matter and new topological phenomenon under the action of synthetic gauge potential and optical lattices. Specific projects include: 1. Study new quantum effects of SOC ultra-cold atoms, considering the specific quantum properties of ultra-cold atoms and the effect of coherent amplified laser beam. 2. Design new schemes, study new quantum effect of SOC ultra-cold atoms through changing Raman coupling strength and the detuning in the SOC system. 3. Study the dynamics of SOC ultra-cold atoms with periodically modulated potentials i.e., optical lattice, design new topological systems and study new quantum matter in optical lattice. Find the possible way to manipulate the topological quantum states and simulate important phenomenon not easy to be observed. The synthetic SOC ultra-cold atoms are ideal tunable quantum many-body platforms for exploring new quantum matter and new theory on quantum modulation, quantum simulation and topological quantum computation as well. Our efforts will bring new information to atomic, molecular and optical physics, ultra-cold atoms and condensed matter physics. We hope to give theoretical support to the application of such novel quantum matter in quantum simulation, quantum manipulation and quantum computation as well.

人工自旋轨道耦合（SOC）超冷原子因其高度可调，为模拟超越传统凝聚态物理的奇异现象提供了有效平台，也是实现拓扑量子计算的重要资源。目前SOC研究没有考虑超冷原子在动态光效应下的响应，本项目是申请人在前期SOC冷原子及非线性效应研究基础上，围绕冷原子在人造规范势与光晶格中的量子效应，开展以下理论研究：1. 考虑光的放大及超冷原子特性在动态光效应下的响应，研究SOC的量子效应及光动力学；2. 改变Raman耦合强度和失谐，研究SOC可调节的构型及响应；3. 改变光晶格等周期性外势，研究由SOC导致的新奇拓扑量子物性，研究动态操控拓扑量子态的有效途径并模拟重要现象。SOC超冷原子是发现新量子态、探讨新调控机理、开展量子模拟及实现拓扑量子计算等的理想的高度可调量子多体系统，本项目的实施将丰富原子分子与光物理、冷原子与凝聚态物理等的理论研究，并为新奇量子态在量子模拟、量子调控及量子计算等的应用提供依据。

超冷原子具有很好的空间和时间相干度、极窄的动量分布、质心运动以及结构因子等特征，人工自旋轨道耦合(SOC)超冷原子因其高度可调，为模拟超越传统凝聚态物理的奇异现象提供了有效平台，也是实现拓扑量子计算的重要资源。本项目考虑人造规范势和光晶格的影响，理论研究冷原子的量子效应及其量子模拟，主要研究成果：1. 冷原子与光传播非线性特征。研究了通过机器学习产生玻色爱因斯坦凝聚体(BEC)的基态，验证了BEC基态是连续波函数，可以用深度卷积神经网络表示；提出光学简并交叉光束与玻色子量子气体混合时产生非常大的增益，证明了这种高阶非线性增益过程受益于一个中间的双光子共振增强，它可以导致高阶物质光波散射的明显非线性增长；2. 可调节的SOC冷原子特征。研究了基于自旋轨道相互作用的自旋敏感的原子散射，有助于我们更全面地理解原子单向自旋开关工作的物理机制，并为设计新的单向自旋电子器件及量子器件提供了可能。3. 光晶格等周期性外势作用。研究了光学超晶格中SOC冷原子的手性Bloch-Zener振荡，手性Bloch-Zener振荡动力学还展现出作为自旋相关干涉仪的应用前景；研究了手性石墨烯纳米带中单空位的磁局域态和可调磁性以及拉伸石墨烯纳米带产生反向赝磁场与中间Edge态，类比动态操控六角光晶格为构建基于冷原子的可调节人造周期结构提供了思路。该项目支持下，项目主持人作为通讯作者发表6篇SCI论文。此外1篇已投稿，1篇待投稿，1个工作整理中，指导的2位研究生已获得硕士学位，3位研究生在读。该项目的实施，把凝聚态物理、光学与冷原子的研究结合起来，丰富了原子分子与光物理的理论研究，为新奇量子态在量子模拟和量子调控的应用提供理论支持，并为相关实验提供了理论参考。