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项目名称基于超冷原子分子体系的新物态和量子仿真研究首

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项目名称:
基于超冷原子、 分子体系的新物态和量子仿真研究
首席科学家:
刘伍明 中国科学院物理研究所
起止年限:
.1至 .8
依托部门:
中国科学院

二、 预期目标
本项目的总体目标:
超冷原子、 分子物理及其量子调控技术关系到国家安全和未来高新科学技术的发展, 在国民经济可持续发展战略中占有非常重要的地位。本项目紧密围绕量子调控的前沿领域, 在已有的4个玻色—爱因斯坦凝聚实验平台上, 发展新的量子调控手段和新的测量技术, 构建传统方式难以实现的几何构型、 维数、 相互作用形式以及丰富内部自由度的可调控量子多体系统, 发现新奇量子现象, 研究新物态及其物理规律。经过建立超冷原子、 分子凝聚体的实验平台, 研究外加光场、 磁场等与冷原子、 分子体系的相互作用以及对量子态的调控。发展精密测量的新原理和新方法, 进行量子仿真和新型量子器件研究。经过本项目的实施和课题组之间的有机合作, 做出在国际上有影响的原创性工作, 培养一批具有国际竞争力的创新人才, 提升中国冷原子、 分子物理的整体水平并使之步入国际先进行列, 为中国在未来国际高新科学技术的激烈竞争中赢得一席之地做出重要的贡献。
五年预期目标:
( 1) 建立光晶格中超冷原子实验平台, 掌握Feshbach共振改变原子间散射长度, 以及光晶格的几何结构和维度调整的实验技术, 发展光晶格中冷原子超辐射散射、 Raman散射的高灵敏探测方法, 实现光晶格系统中冷原子关联效应和动力学特性的量子调控。
( 2) 实现一维光晶格中的自旋量子态, 仿真Hubbard模型。揭示一维凝聚体从环状到铁磁态、 反铁磁态以及二维凝聚体从奈尔态到自旋液体态、 共线态的相变机理。
( 3) 利用现有BEC装臵在光学调控自由度方面的优势, 建立国际一流的低维量子体系的实验平台。同时发展超高空间分辨率的原位测量系统, 搭建空间分辨率为2微米的光学吸收成像系统。
( 4) 实现超冷原子气体的维度渡越, 研究系统从无序向有序的转变过程, 元激发从spinon到magnon的演化过程。经过操控外磁场, 观测铁磁系统中磁畴的演化, 以及涡旋等拓扑元激发的特性。产生无序势, 调控延展态、 局域态、 玻色玻璃态。
( 5) 建立简并原子气体的人造规范势实验平台; 掌握阿贝尔/非阿贝尔人造规范势、 新奇周期性有效磁场、 高强度有效磁场的实验技术; 实现人造规范势中简并原子气体的量子涡旋与涡旋晶格, 明确玻色量子霍尔态、 分数量子霍尔态、 阿贝尔/非阿贝尔任意子、 磁单极子等拓扑态的实验机制; 理论上掌握各种拓扑态的数值计算方法, 结合实验研究各种拓扑态的基本性质。
( 6) 基于人造规范势中简并原子气体的拓扑态, 实现对分数量子霍尔效应的量子仿真应用; 研究拓扑绝缘体的实验机制及其在信息存储方面的应用; 基于阿贝尔和非阿贝尔任意子, 研究其在拓扑量子计算方面的应用。
( 7) 建立超冷极性分子的实验平台。实现混合气体的共同冷却、 俘获和深度冷却, 即实现Rb、 Yb原子和Li、 Cs原子的磁光阱和光偶极阱; 在偶极阱中实现两种组份原子气体的共同俘获和深度冷却。在此基础上, 利用两种原子间的超冷碰撞、 光缔合、 Feshbach共振等特性, 探索获得超冷RbYb分子以及超冷LiCs分子的技术方法, 获得超冷极性分子。
( 8) 揭示超冷原子分子体系的量子关联特性, 以及旋量简并气体中的激化催化自旋混合动力学行为和特征, 发展基于原子—分子暗态的量子光存储与调控理论; 掌握和发展超冷分子精密操控技术, 为极性分子动力学、 超冷化学等研究奠定基础。
五年期间预期在国际一流与重要学术刊物上 (例如Phys. Rev.) 发表高质量的学术论文200篇以上, 其中在Nature, Science, Nature Physics和Phys. Rev. Lett.发表论文10篇以上, 申请国家创造专利8项以上。培养5名左右国家杰出青年科学基金获得者、 长江学者、 百人计划、 教育部新世纪人才等中青年学术带头人, 培养60多名博士生和20多名博士后。

三、 研究方案
本项目的整体学术思路是在已有的冷原子体系的实验平台上, 利用新的量子调控手段和新的测量技术, 构建传统方式难以实现的光晶格几何构型、 原子相互作用形式以及丰富内部自由度的可调控量子多体系统, 研究新颖量子态和奇异物性, 仿真Hubbard模型、 低维量子磁性系统和规范场; 制备超冷极性分子并研究其物性; 突破现有实验中的关键技术, 发展新的量子调控手段, 探索新型量子控制器件, 如图1所示。

图1 本项目的整体学术思路和技术途径
具体的技术途径:
1．光晶格中超冷原子实验平台和量子关联效应。
利用精密激光系统和超高真空装臵得到稳定的光学晶格系统, 建立凝聚态系统模拟实验平台。光晶格系统将采用850nm的红失谐激光( 原子捕获在光强的极大值处) , 形成光晶格, 研究原子的关联和输运等物理性质。我们的量子调控主要包括: ( 1) 利用Feshbach共振改变原子间的散射长度, 从吸引到排斥, 从弱相互作用到强相互作用; ( 2) 利用激光束把原子束缚在光格子周期势阱的谷底从而加强原子间的局域相互作用, 把冷原子系统限制在一维、 二维或三维空间中, 研究不同维度下量子特性的变化; ( 3) 调节激光波长, 研究晶格参数对量子态的影响; ( 4) 研究具有不同几何结构的光晶格冷原子系统中的量子态。
在此基础上, 构建阻挫相( Frustration Phase) 与环状态(Cyclic State)等国际上尚未开展研究的奇异”物质”。关于阻挫相我们主要利用铷原子玻色气体建立二维光晶格, 调节不同方向光晶格激光的光强, 以改变不同方向光晶格原子之间的隧穿粒子流。我们将利用二维光晶格来模拟这种新的”物质”状态, 并研究它们的相变机理。关于环状态, 我们的研究主要利用铷原子玻色气体建立一维光晶格, 将玻色原子制备在F=2态上, 经过调节磁场强度, 调节原子的散射长度, 从而改变光晶格中原子间的相互作用。我们将利用一维光晶格来模拟这种新的量子物质状态, 并研究它们的相变机理。
经过超辐射散射、 Raman散射等方法探测各种奇异物态相变。研究凝聚体在不同量子态下与光场的相互作用, 寻找不同动量散射的物理机理。经过对光信号合作辐射放大的探测手段和方式, 测量原子关联效应以及动力学特性。当前一般使用吸收成像法来计算原子的数目和温度以及原子的空间分布, 这种方法的缺点是破坏性探测, 而且受衍射极限的影响, 分辨率不高, 涨落比较大。希望经过对原子散射光的探测或者用辅助泵浦光将原子激发到其它的态的荧光信号, 这种新的探测方式和吸收成像方式共同使用对下面过程进行探测: ( 1) 物质波的光栅、 散射光波的光栅、 驻波光场三者之间的相互作用; ( 2) 相干物质波和光波之间的耦合演化过程; ( 3) 原子或者光子携带的信息在物质波和光波之间相互传递。其次, 经过原子在红蓝失谐光晶格中的光频移特性, 以及光学晶格中由于光场涨落而导致的局域化量子态研究。
2．低维简并气体的量子磁性和无序效应仿真平台以及超高分辨率原位测量技术。
发展超高分辨率原位成像技术。常见的BEC吸收成像装臵由于光学数值孔径的限制, 成像分辨率一般在5－10微米, 而且对于吸收成像技术来说吸收率太大, 无法对BEC进行原位成像。经过大幅度提高成像系统的数值孔径, 将BEC成像分辨率提高到1微米左右, 同时经过将原子束缚在低维系统中, 增加BEC的尺寸, 使吸收率降低到适合吸收成像的范围, 从而能够原位观察BEC的密度分布和涨落。与标准的飞行时间测量方法相比, 原位测量大大丰富了从BEC中提取物理信息的能力, 特别是对一些非周期性的量子态( 如铁磁体的磁畴) 的观测具有不可替代的意义。
维度对简并量子气体性质的影响很大, 在普通的凝聚态物理实验上难以得到维度可调的实验样品。而在超冷原子系统中能够实现各种维度的简并量子气体, 并观察各种系统性质在维度渡越过程中的改变, 因此在维度相关性质的研究中具有不可替代的优势。
无序即混乱无规则的状态。无序的种类和特征能够根据光晶格被破坏的方式和程度来定义, 包括臵换无序、 拓扑无序等。调控带自旋的超冷原子系统的延展态和局域态, 研究局域态和延展态之间的相变, 以及它们和系统维数的关系, 研究局域化长度与平均自由程的关系。
3．人造规范势的实验平台和相关量子拓扑效应。
( 1) 玻色铷原子简并气体和费米镱原子简并气体的人造规范势: 人们已经从理论上明确了人造规范势的基本原理, 即: 利用激光场与原子内态的耦合以产生Berry相位, 而Berry相位导致随空间变化的等效矢量势; 这种空间依赖关系或者来源于激光强度的空间分布, 或者来源于激光与原子失谐量的变化。本项目中, 我们拟利用铷原子与镱原子的L型能级结构(S=1/2)与一对拉曼光形成阿贝尔规范场; 还能够利用铷原子的Tripod型能级结构(F=1)以及三束耦合激光形成两个简并的暗态, 并经过控制激光的强度分布等产生非阿贝尔规范场。
( 2) 量子涡旋的形成与探测: 量子涡旋是由规范场对应的有效磁场产生的激发态, 其探测方法一般是用常规的吸收成像技术来记录自由飞行之后的原子密度分布。对于一维光晶格系统中的涡旋阵列, 原子云的密度分布可能无法反映涡旋的存在, 但我们以前的理论工作表明能够经过原子云的密度—密度关联提取涡旋信息。另外, 制造有效磁场的激光耦合了原子的不同磁子能级, 因此涡旋激发实验不宜在一般的静磁阱中实施; 我们拟将铷原子BEC转移到大失谐光阱中。波长为1.06微米的大功率(10W以上)单纵模激光器可用来囚禁铷原子BEC, 还能够做为光晶格光源。
( 3) 费米镱原子简并气体实验: 经过镱原子的塞曼减速与两级激光冷却, 我们已经获得温度100mK量级的镱原子气体。进一步用波长532nm的高功率激光实现远失谐光阱( FORT) , 高斯光束聚焦后能够获得深度达到mK量级的光阱。蒸发冷却能够经过逐步降低光阱深度的方法进行, 使原子云温度降低到1K甚至更低。费米同位素171Yb的蒸发冷却能够借助于两种不同自旋组份的原子之间的s波碰撞。另一种可行方案是利用费米同位素与玻色同位素之间的s波碰撞实施协同冷却, 在足够低温度下能够获得费米—玻色混合简并气体。
( 4) 高强度有效磁场: 对于简并玻色气体, 采用两束移动和交叉的周期激光, 能够实现制备玻色量子霍尔态所需的高强度有效磁场。对于费米镱原子简并气体, 利用较弱的互合跃迁(1S0-3P1)产生极大抑制光子散射的暗态, 从而得到具备量子相干性的高强度有效磁场, 实现分子量子霍尔态需要的高填充因子( 比如5/2的填充因子) ; 对于171Yb费米气体而言, 超低温下费米子的泡利阻塞效应极大抑制了原子碰撞效应, 也有利于保持人造规范势的相干性。
4. 超冷极性分子的实验平台。
利用超冷混合原子气体, 甚至是混合量子简并气体, 经过光晶格、 光缔合和Feshbach共振等量子调控手段, 能够将超冷原子混合气体制备成超冷极性分子, 带来与原子气体完全不同的各向异性的长程相互作用, 为量子模拟提供丰富的研究体系。 我们将对Rb和Yb原子混合量子简并气体进行实验和理论研究。主要从两个方面展开: 利用Rb和Yb的混合量子简并气体进行量子模拟。例如, 利用不同的光晶格对两种原子进行分别控制, 用Yb原子的蓝光共振性作为”量子探针”对Rb的量子拓扑型激发进行高分辨观测; 利用Yb原子对磁场的不敏感的特点, 对Rb和Yb进行分别的全局量子操作和瞬间分离, 分析量子动力学系统以前无法观测到的瞬态现象。利用价电子数的差异, 构造更为复杂的可控量子系统, 对一些新奇量子现象进行模拟。理论分析表明, 像RbYb这样的异核重原子混合是最有效的增强EDM效应的办法。我们将利用Rb和Yb合成超冷极性分子, 研究极性分子的长程相互作用及相关物性。
( 1) 获得Rb和Yb原子混合量子简并气体的技术途经如下:
( i) 分别建立Rb原子和Yb原子的塞曼冷却器和磁光阱。用780nm激光对Rb原子实现塞曼冷却器和磁光阱, 并经过四极磁阱和光偶极阱构成的混合势阱中实现BEC。用1064nm激光构建Rb原子的光学晶格和无序光晶格, 研究Rb原子BEC的量子输运性质。 ( ii) 用399nm蓝色激光实现Yb原子的塞曼冷却器, 用556nm绿色激光实现Yb原子的磁光阱, 用1064nm激光分别将Yb原子俘获到光偶极势阱中。 ( iii) 改建并连接两套系统, 对Rb、 Yb原子的同时进行磁光阱冷却和光偶极囚禁, 并实现两个组份原子的混合, 对Rb原子进行蒸发冷却, 并经过协同冷却同步降低Yb原子的温度。经过光缔合或Feshbach共振等技术, 在光偶极阱或光学晶格中形成超冷RbYb分子。
( 2) 获得Li和Cs原子混合量子简并气体的技术途经如下:
( i) 用671nm激光实现Li原子的塞曼减速器和磁光阱; 用852nm激光实现Cs原子的二维磁光阱和磁光阱, 用1064nm激光形成光偶极势阱对Li、 Cs原子进行囚禁, 经过蒸发冷却使得Cs原子简并。用Cs原子协同冷却Li原子使其达到量子简并。 ( ii) 使用大磁场使得Li、 Cs原子形成Feshbach共振分子, 然后使用相干的双光子过程( pump-dump) 形成基态的强绑定分子。利用外场调节分子分子相互作用, 使得蒸发冷却能够进行, 从而达到较高的相空间密度, 实现超冷分子的量子相变。 ( iii) 将超冷分子导入光晶格, 研究冷分子在光晶格中的相变过程与参量响应。降低Cs原子密度而使之形成随机散射点, 研究锂原子在随机散射场里的渗流相变过程。
本项目的创新点与特色:
( 1) 我们的调控对象一是具有宏观量子相干性的量子简并气体, 二是具有大极性的由超冷原子合成的新型分子。
( 2) 新的量子调控手段, 如规范势, 维度控制和内态操控等。
( 3) 新的实验方法, 如利用超辐射观测量子相变, 利用超高分辨率( 1-2微米) 的原位测量技术观察磁畴, 利用新的人造规范场技术研究拓扑态, 制备大极性的RbYb分子等。
( 4) 注重研究新的物理问题。本项目所涉及的超冷原子系统的玻色量子霍尔态、 阻挫量子相变、 维度和磁有序的竞争, 电偶长程作用的各向异性效应等是理论上已有一定研究, 但实验上还有待探索的课题。
( 5) 强调理论和实验紧密结合。本项目不单独设立理论课题, 理论工作者直接融入各实验课题, 配合并指导实验。
( 6) 多学科有机交叉。利用可控的冷原子冷分子系统进行量子仿真, 能够充分研究很多在自然界系统中无法调控的物理量, 发掘其物理规律和本质。同时又能够研究量子力学的基本问题, 反映出粒子的量子特性。本项目将原子分子物理、 量子光学、 凝聚态物理、 统计物理和量子信息等学科有机地结合了起来。
本项目的可行性分析:
( 1) 研究队伍实力雄厚, 学术氛围良好。项目组成员都是从事冷原子分子研究的第一线科研人员。人员结构合理, 有院士、 杰青、 百人, 兼顾了历史的延续和老中青结合。研究人员实力很强, 队伍团结, 协作密切。
( ２) 前期的工作积累深厚, 在部分实验技术上达到了国际先进水平。项目组成员多年来一直从事冷原子的实验和理论研究, 进入该领域的国际研究前沿。在实验技术上, 我们已经搭建了4个具有国际先进水平的冷原子实验平台。我们的多项工作已在国际上产生重大影响, 在国际权威杂志Phys.Rev.Lett.上发表了30多篇论文。近年来, 项目承担单位上海光机所、 北大、 清华、 武汉物理所、 北京应用物理与计算数学研究所和物理所都投入了大量的人力、 物力和财力, 为本项目的实施打下了可靠的基础。
( 3) 理论实验相互促进。我们理论工作的预言曾被国际上其它小组实验证实。例如, 我们预言的光晶格中冷原子在能带间的量子隧穿效应[W. M. Liu et al., PRL 88, 170408 ( ), 被SCI她引102次]在 被意大利佛罗伦萨大学G. M. Tino教授的实验证实[V. V. Ivanov et al., PRL 100, 043602 ( )]。我们的理论正在和我们当前的实验有机结合。
( 4) 各课题组联系密切。本相目的六家研究单位已经建立了良好的合作关系, 在平时的合作中能够做到互通有无, 取长补短, 相互影响, 共同进步。例如, 北京大学得到了初步实验结果后, 邀请物理所的理论研究人员进行解释, 并指导下一步的实验, 已经有部分合作成果发表, 较早的有: W. D. Li, X. J. Zhou, Y. Q. Wang, J. Q. Liang, W. M. Liu, Phys. Rev. A 64, 015602 ( ); 较近的有: X. F. Zhang, Q. Yang, J. F. Zhang, X. Z. Chen, W. M. Liu, Phys. Rev. A 77, 023613 ( )。又例如, 北京大学和北京应用物理与计算数学研究所也有密切的合作, 有关玻色—爱因斯坦凝聚宏观量子隧穿和集体激发的研究成果发表在G. F. Wang, D. F. Ye, L. B. Fu, X. Z. Chen, and J. Liu ,Phys. Rev. A 74, 033414 ( )和G. Q. Li, L. B. Fu, J. K. Xue, X. Z. Chen, and J. Liu. Phys. Rev. A 74, 055601 ( )。另一方面, 物理所在搭建冷原子实验平台时北京大学也提供了很有益处的实验技术支持。
( 5) 研究的物理问题新颖、 迫切, 而且近期有可能取得突破。项目组成员充分调研了本学科的国际研究现状和发展趋势, 结合国家发展的战略需要, 以及自己的特色和长处, 并考虑到近期完成的可能性, 精心制定了研究问题。新奇量子态如玻色量子霍尔态, 多组份费米子的配对态等都是量子多体理论中非常关心的科学问题, 在凝聚态物理中缺少充分有效的研究手段, 冷原子系统由于参数可调等众多优点, 提供了一个很好的模拟平台。超冷极性分子的制备和物性研究在国际上尚处于起步阶段, 我们希望结合我们的长处, 在这方面作出国际领先的工作。
( 6) 研究方案具体, 切实可行。本项目组成员多年来一直研究冷原子系统, 玻色—爱因斯坦凝聚以及原子和光的相互作用等, 有丰富的研究经验。研究路线经过项目组成员和部分研究专家的集中讨论, 仔细规划。我们充分认识到了在本项目执行时会遇到的关键技术问题, 制定了相应的解决方案, 包括真空系统, 光学系统, 甚至激光的具体参数。 有先进的冷原子分子实验平台, 新的调控手段, 理论和实验的紧密结合与相互促进, 我们一定会在超冷原子、 分子的新奇量子态和量子仿真研究方面取得突破性进展, 推动中国冷原子物理的发展。
课题设置
本项目由中国科学院物理研究所、 中国科学院上海光学精密机械研究所、 中国科学院武汉物理与数学研究所、 北京大学、 清华大学和北京应用物理与计算数学研究所共同承担。本项目的核心科学问题是, 在超冷原子、 分子以及玻色-爱因斯坦凝聚体的实验平台上, 发现具有不同几何结构、 维度、 组份、 相互作用、 自旋等参数的超冷原子、 分子系统中的新奇量子态和奇异物性, 研究外场与超冷原子、 分子体系的相互作用以及对量子态的调控机理, 发展新的检测、 表征和调控技术, 攻克超冷原子、 分子系统量子仿真及其新型量子器件中的重大科学与技术问题, 为冷原子、 分子物理的量子调控奠定基本原理和关键技术基础。
本项目分为如下四个课题:
课题1: 光晶格中超冷原子的关联效应与量子相变研究;
承担任务: 1. 光晶格超冷原子人造凝聚态系统实验平台; 2. 光晶格中超冷原子关联特性探测的新方法; 3．光晶格中超辐射与量子相变的测量; 4．光晶格中超冷原子钟跃迁频率的精密测量
经费比例: 24%
承担单位: 北京大学、 清华大学
课题负责人: 陈徐宗
学术骨干: 李家明、 王义遒、 刘新元、 周小计
课题2: 简并气体的量子磁性和无序性质研究;
承担任务: ( 1) 建立低维超冷原子实验平台。利用我们现有BEC装置在光学调控自由度方面的优势, 建立国际一流的低维可调控量子多体系统实验平台。( 2) 发展超高空间分辨率的原位测量技术, 建立分辨率达到微米量级的光学吸收成像系统, 用于直接观测低维量子简并系统的密度分布及其涨落。( 3) 经过调控实验参数, 实现物理系统的维度渡越, 揭示量子磁性系统有序无序转变过程, 以及元激发的演化过程。经过观测超冷原子铁磁系统中磁畴的演化, 以及涡旋等拓扑元激发的特性, 揭示无穷阶相变的序参量和标度行为。( 4) 利用无序势, 实现Anderson局域化, 进一步揭示相互作用对Anderson局域化的影响; 调控延展态和局域态, 模拟无序自旋系统, 实现自旋玻璃态。
经费比例: 30%
承担单位: 中国科学院物理研究所、 清华大学
课题负责人: 刘伍明
学术骨干: 李师群、 翟荟、 王如泉、 汪汉廷
课题3: 人造规范势中简并原子气体的拓扑性质研究;
承担任务: 1. 玻色铷原子简并气体和费米镱原子简并气体的人造规范势; 2. 量子涡旋的形成与探测; 3．费米镱原子简并气体实验; 4．高强度有效磁场的制备。
经费比例: 22%
承担单位: 中国科学院武汉物理与数学研究所、 北京应用物理与计算数学研究所
课题负责人: 吕宝龙
学术骨干: 刘杰、 熊宏伟、 傅立斌、 余永乐
课题4: 超冷极性分子气体的制备及其物性研究。
承担任务: ( 1) Rb、 Yb原子的共同冷却、 俘获 和混合的实验方法; ( 2) Rb、 Yb原子的超冷碰撞参数测 量, RbYb分子形成和进一步冷却 的实验方法; ( 3) Li、 Cs原子的共同冷却、 俘获 和混合及LiCs分子形成的实验方法; ( 4) 超冷极性分子的长程 相互作用的调控手段。
经费比例: 24%
承担单位: 中国科学院上海光学精密机械研究所
课题负责人: 洪涛
学术骨干: 王育竹、 马兆远、 周蜀渝、 徐震
各课题间相互关系
这4个课题相互联系, 各有侧重。课题1着重发展光晶格调控手段和超辐射探测技术, 侧重研究量子气体的关联效应和相变特性。课题2利用光晶格的技术, 同时发展高分辨率的原位测量技术, 侧重研究低维系统中超冷原子、 分子的磁性和无序效应。课题1和2在发展光晶格调控手段上技术共享。课题3则经过产生人造规范场这一全新的调控手段, 研究简并原子气体的拓扑量子态等新奇物性。对这些拓扑态的探测会充分利用课题1和2发展的超辐射和原位测量技术。另一方面, 当人造规范场这一调控手段发展成熟以后, 能够进一步和课题1, 2发展的光晶格结合起来, 开辟冷原子物理研究的新方向。课题4侧重于经过简并量子混合气体的制备, 产生超冷极性分子。这一研究将发展光缔合等新的调控技术, 其前期的简并混合气体制备环节会和课题1—3有大量技术交流。总而言之, 课题1-4将实现先进的实验技术、 方法、 成果的资源共享和相互补充, 经过理论和实验的密切合作, 从不同的角度研究超冷原子、 分子中的新奇量子态。本项目的课题设臵思路如图2表示:

图2. 本项目的课题设臵思路和各课题相互关系示意图

四、 年度计划
年度
研究内容
预期目标
第一年
( 1) 将超冷Rb原子简并气体装载到光学晶格中, 发展新的方法对其进行量子调控, 主要包括: 利用激光把原子束缚在光格子周期势阱的谷底从而加强原子间的局域相互作用, 把冷原子系统限制在一维、 二维或三维空间中, 研究不同维度下量子特性的变化; 调节不同的激光波长, 研究晶格参数对量子态的影响。改造已有铷原子BEC实验平台, 实验研究BEC在无序光晶格中的输运性质。升级现有Rb原子BEC装置, 利用转移线圈将BEC的中心转移到距离磁光阱中心5厘米的下方。购置或自制实现人造规范势相关的激光器、 光学器件与电子仪器等。
( 2) 改进镱原子冷却真空装臵。研究镱原子各种玻色和费米同位素的亚多普勒冷却技术。研究铷原子BEC到1064nm远失谐光阱(FORT)的装载过程以及冷原子云在FORT中的蒸发冷却技术。
( 3) 设计铷镱混合的真空系统, 订购所需的真空、 光学等元件。
( 4) 理论研究周期性人造规范势的新方案。研究产生人造规范势的实验细节方案, 包括光学系统和电子系统等。
( 5) 本项目首席科学家刘伍明作为冷原子与玻色－爱因斯坦凝聚的国际知名专家负责筹办第26届低温物理国际会议(The 26th International Conference on Low Temperature Physics)的第一分会—量子气体、 流体和固体( Quantum Gases, Fluids and Solids) 。低温物理国际会议是包括原子及分子物理的一个重要的学术会议。冷原子和量子仿真的此次会议的核心内容。我们经过前一期的973项目的资助, 已经做出在国际上有影响的原创性工作, 培养一批具有国际竞争力的创新人才, 提升中国冷原子、 分子物理的整体水平并使之步入国际先进行列。可是为了保持中国在未来国际高新科学技术的激烈竞争中赢得一席之地, 我们需要与国际的同行保持高效的沟通。经过筹备这次会议, 我们将在扩大本项目成果的知名度的同时, 与国际同行进行更深入的交流和合作。
( 1) 经过控制冷原子系统的几何结构、 维度、 组份等实验参数, 调控超冷原子量子多体系统关联效应、 动力学特性和非平衡态过程的新方法。实验上使装置在10个方向都能够安排调控激光光束。完成相关光学和电子仪器的购置。
( 2) 提高MOT腔真空度, 使其优于10-8Pa。掌握镱原子亚多普勒冷却技术, 原子云温度低于100μK; 掌握FORT中铷原子BEC的装载和光阱中的蒸发冷却技术。
( 3) 实现磁光混合型的BEC产生装置。
( 4) 掌握人造规范势中BEC动力学的数值计算方法。确定关于铷原子BEC的人造规范势的具体实验方案。
( 5) 加强国际冷原子物理的交流和合作, 扩大我们在本事域的研究成果的影响力。
第二年
( 1) 利用Feshbach共振改变光学晶格中中原子间的散射长度从而调节原子间的耦合强度, 从吸引到排斥, 从弱相互作用到强相互作用。经过研究光晶格中超冷原子的超辐射散射发展光晶格中冷原子特性的新探测方法: 包括改变光晶格的强度、 维度、 周期; 泵浦脉冲光的长短、 强度、 入射角度; 冷原子的超流态、 粒子数态、 部分相干态的量子状态, 研究不同量子态与光场相互作用的新效应。利用二维光晶格系统, 实现对原子的紧束缚, 要求原子的温度远小于晶格的径向束缚对应的温度。原子系统具有足够的相干时间。同时发展超高空间分辨率的原位测量系统, 搭建空间分辨率为2微米的光学吸收成像系统。研究FORT光阱中铷原子BEC的电磁感应透明(EIT)现象。仿真Hubbard模型。
( 2) 研究镱原子到交叉光阱中的转移以及交叉光阱中镱原子的蒸发冷却; 研究如何提高光阱中BEC的寿命与光阱参数的关系。
( 3) 构建铷镱混合的真空系统, 用780nm激光和399nm、 556nm激光产生Rb原子和Yb原子的磁光阱, 用1064nm单模激光实现Rb原子的光偶极阱, 并获得Rb原子的BEC。
( 4) 理论研究非阿贝尔规范场的形成机理及相关的磁单极子的量子动力学。理论上研究暗态的建立与维持机制, 寻求提高暗态寿命的新思路。
( 1) 掌握调控原子间相互作用的新方法, 利用超辐射散射方式, 探索物质波、 光晶格、 合作辐射的散射光这三者之间的关系, 提供测量光晶格系统中冷原子各种奇异态量子相的新探测方法。要求原子的温度远小于晶格的径向束缚对应的温度。原子系统具有足够的相干时间。空间分辨率为2微米。利用激光与铷原子Λ型能级产生暗态并观察到BEC的EIT现象; 结合理论研究, 发现降低光子散射以延长暗态寿命的新思路。实现Hubbard模型的仿真。
( 2) 实现镱原子的交叉光阱装载, 经过蒸发冷却实现镱原子玻色同位素的BEC。铷原子BEC在FORT光阱中的寿命达到100ms。在新系统上分别实现铷原子的BEC以及镱原子的磁光阱。
( 3) 形成分别得锂和铯的MOT, 并用光阱全光阱捕获, 初步蒸发冷却得到Cs原子简并, 用Cs原子协同冷却Li原子使其达到量子简并。
( 4) 明确冷原子中磁单极子的可观测效应以及产生方案。明确非阿贝尔规范场的形成机理及相关的磁单极子的量子动力学。提出提高暗态寿命的新思路。

第三年
( 1) 研究一维光晶格中的Rb原子自旋( Spinor Gases) 气体相变的物理机理。经过调节磁场强度、 原子的散射长度, 实现凝聚体从环状到铁磁态、 反铁磁态的相变。利用径向约束调节原子的等效相互作用, 研究系统特性从三维过渡到一维时的变化。利用毛玻璃产生无序势, 研究准一维量子气体的Anderson局域化特性。调控延展态、 局域态、 玻色玻璃态。基于光阱囚禁的Rb原子BEC, 研究基于暗态机制的人造规范势及其对应的有效磁场。研究高强度有效磁场的获得。
( 2) 研究镱原子玻色-费米混合气体的装载以及光阱中的协同冷却。
( 3) 完成铷镱混合的实验平台, 实现铷镱原子的共同冷却和俘获, 用1064nm单模激光实现Rb原子和Yb原子的共同光偶极阱和光晶格。研究RbYb原子的超冷碰撞性质。包括散射长度测量、 光缔合、 Feshbach共振等; 研制用于进行光缔合和光学Feshbach共振的激光器。
( 4) 理论和实验相结合分析人造规范势中简并气体的涡旋态的产生机制和动力学。
(5) 与量子调控相关的冷原子物理机制和控制技术关系到国家安全和未来高新技术的发展, 将在国民经济可持续发展战略中占有极为重要的地位。本项目紧紧围绕量子调控的前沿领域, 经过建立冷原子、 分子以及简并量子气体凝聚体的实验平台和仿真平台, 探讨外加光场、 磁场等与冷原子、 分子体系的相互作用以及量子态的变化, 从而对其进行量子调控, 研究量子仿真、 新型量子器件以及频率等相关物理量的精密测量。本项目已取得的研究成果已经在国际上获得了一席之地, 但在新型量子器件的研究相对薄弱。关于冷原子和量子调控在量子器件上应用需要国际同行间的相互探讨。因此, 课题一的承担单位北京大学拟负责举办第二届国际量子气体学术会议一次。
( 1) 观测到这些量子态的相变, 以及不同有序态、 不同序参量耦合下的量子行为和量子相变,实现量子仿真。探索维度渡越时出现的量子相比和新奇量子态。利用有效磁场在铷原子BEC中激发涡旋态。
( 2) 实验上完成同化冷却的优化, 获得超冷Yb原子费米气体。
( 3) 实现铷镱原子的混合和囚禁, 测量Rb-Yb原子间( 包括各种费米和玻色子的同位素) 的碰撞特性和相互作用参数, 研究原子间的超冷碰撞、 光缔合、 Feshbach共振等特性。掌握和发展超冷混合量子气体精密操控技术。利用Feshbach共振使得Li, Cs原子形成分子, 然后使用相干的双光子过程( pump-dump) 形成基态的强绑定分子。
( 4) 明确人造规范势中简并气体的涡旋态的产生机制和动力学。
( 5)促进国际同行学术交流和合作。
第四年
( 1) 研究二维光晶格中的Rb冷原子阻挫态的物理机理。获得二维光晶格玻色气体, 经过调节不同方向光晶格激光的光强, 改变不同方向光晶格超冷原子之间的隧穿粒子流, 观察凝聚体从奈尔态到自旋液体态、 共线态的相变, 并研究它们的相变机理。利用强光学束缚势搭建准二维系统, 实现对原子的紧束缚, 要求原子的温度远小于层间的束缚对应的温度。原子系统具有足够的相干时间。研究人造规范场作用下一维光晶格中超冷铷原子气体的量子相干和动力学行为, 经过一阶或二阶相干来进一步研究量子相干。
( 2) 研究镱原子的特殊基态超精细结构对产生人造规范势的影响; 购臵或自制实验需要的光学和电子设备。
( 3) 研究Rb-Yb混合超冷原子气体在磁光混合阱中的相变和进行量子仿真方面的实验。
( 4) 理论研究简并铷原子气体在人造规范场作用下的玻色量子霍尔态; 研究简并Yb费米气体的量子霍尔态和分数量子霍尔态。理论研究超冷分子化学反应RbYb+RbYb->Rb2+Yb2过程中的碰撞动力学与外场调控技术。
(5) 举办第10届海峡两岸及国际量子调控会议。量子调控研究是当前蓬勃发展的一个领域, 国内外和海峡两岸有很多科学家在研究。我们经过前一期的973项目的资助, 已经做出在国际上有影响的原创性工作, 培养一批具有国际竞争力的创新人才, 提升中国冷原子、 分子物理的整体水平并使之步入国际先进行列。我们已经成为该会议的主要参加者和骨干力量。可是, 为了保持本项目在未来国际高新科学技术的激烈竞争中赢得一席之地。为了沟通海峡两岸的科学家, 优势互补, 形成高效的合作方式, 本项目拟举办 第10届海峡两岸及国际量子调控会议。此次会议将汇集台湾、 内地和国外的一批专家与学者来探讨该领域的最新研究进展和发展动向, 特别是十二五期间该科学计划的关键科学问题, 为有效地推动该领域的学科发展, 实现国家中长期科技规划拟定的目标做出重要贡献。
( 1) 实现简并Rb原子气体从奈尔态到自旋液体态、 共线态的相变。发现不同量子态( 如Mott态、 自旋液体态等) 与光场相互作用的新效应。要求原子的温度远小于层间的束缚对应的温度。原子系统具有足够的相干时间。发现人造规范势作用下一维光晶格系统的新奇量子相干和动力学行为。
( 2) 根据细化后的针对费米Yb原子的人造规范势方案, 完成相关的光学与电子器件的准备。揭示超冷混合原子的凝聚效应和奇异物性。
( 3) 研究强绑定分子的蒸发冷却, 从而达到较高的相空间密度, 实现超冷分子的量子相变。
( 4) 从量子多体角度明确铷原子BEC在人造规范场作用下的玻色量子霍尔态。提出超冷化学新机制。
(5) 促进国际同行学术交流、 合作, 了解国际冷原子领域最新动态。
第五年
( 1) 研究不同量子态条件下光晶格中Rb原子感受到的光频移。测量和计算不同失谐的光晶格、 原子的不同温度和分布、 原子间的相互作用、 光场的空间分布对原子光频移的影响以及光谱信号的改变。利用微波和光晶格囚禁超冷铷原子进行长时间相互作用, 获得超窄线宽的参考谱线。研究外界剩余磁场、 微波功率、 原子的量子态、 光晶格势垒等外部环境对该参考谱线和原子钟稳定度、 准确度的影响。调节束缚强度, 研究系统从三维到二维时从无序向有序的转变过程。经过操控外磁场, 观测铁磁系统中磁畴的演化, 以及涡旋等拓扑元激发的特性。研究简并铷原子气体在人造规范场作用下的玻色量子霍尔态。
( 2) 研究简并Yb原子费米气体的量子霍尔态和分数量子霍尔态。
( 3) 研究Rb原子和Yb原子形成分子的实验方法。
( 4) 理论研究非阿贝尔规范场及相关的磁单极子的量子动力学; 研究简并原子气体中拓扑绝缘体的实验方案、 量子动力学和可观察效应; 结合已完成的研究内容, 就拓扑绝缘体的应用等方面进行研究; 结合新的科学前沿问题, 进一步理论和实验相结合探索量子多体仿真。
( 1)