項(xiàng)目名稱(chēng)：基于超冷原子、分子體系新物態(tài)和量子仿真研究首席科學(xué)家：劉伍明中華人民共和國(guó)科學(xué)院物理研究所起止年限：.1至.8依托部門(mén)：中華人民共和國(guó)科學(xué)院

二、預(yù)期目的本項(xiàng)目總體目的：超冷原子、分子物理及其量子調(diào)控技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和將來(lái)高新科學(xué)技術(shù)發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有非常重要地位。本項(xiàng)目緊密環(huán)繞量子調(diào)控前沿領(lǐng)域，在已有4個(gè)玻色—愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，發(fā)展新量子調(diào)控手段和新測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建老式方式難以實(shí)現(xiàn)幾何構(gòu)型、維數(shù)、互相作用形式以及豐富內(nèi)部自由度可調(diào)控量子多體系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)新穎量子現(xiàn)象，研究新物態(tài)及其物理規(guī)律。通過(guò)建立超冷原子、分子凝聚體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究外加光場(chǎng)、磁場(chǎng)等與冷原子、分子體系互相作用以及對(duì)量子態(tài)調(diào)控。發(fā)展精密測(cè)量新原理和新辦法，進(jìn)行量子仿真和新型量子器件研究。通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)行和課題組之間有機(jī)合伙，做出在國(guó)際上有影響原創(chuàng)性工作，培養(yǎng)一批具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力創(chuàng)新人才，提高國(guó)內(nèi)冷原子、分子物理整體水平并使之步入國(guó)際先進(jìn)行列，為國(guó)內(nèi)在將來(lái)國(guó)際高新科學(xué)技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地做出重要貢獻(xiàn)。五年預(yù)期目的：（1）建立光晶格中超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，掌握Feshbach共振變化原子間散射長(zhǎng)度，以及光晶格幾何構(gòu)造和維度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，發(fā)展光晶格中冷原子超輻射散射、Raman散射高敏捷探測(cè)辦法，實(shí)現(xiàn)光晶格系統(tǒng)中冷原子關(guān)聯(lián)效應(yīng)和動(dòng)力學(xué)特性量子調(diào)控。（2）實(shí)現(xiàn)一維光晶格中自旋量子態(tài)，仿真Hubbard模型。揭示一維凝聚體從環(huán)狀到鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)以及二維凝聚體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài)、共線態(tài)相變機(jī)理。（3）運(yùn)用既有BEC裝臵在光學(xué)調(diào)控自由度方面優(yōu)勢(shì)，建立國(guó)際一流低維量子體系實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同步發(fā)展超高空間辨別率原位測(cè)量系統(tǒng)，搭建空間辨別率為2微米光學(xué)吸取成像系統(tǒng)。（4）實(shí)現(xiàn)超冷原子氣體維度渡越，研究系統(tǒng)從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)變過(guò)程，元激發(fā)從spinon到magnon演化過(guò)程。通過(guò)操控外磁場(chǎng)，觀測(cè)鐵磁系統(tǒng)中磁疇演化，以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)特性。產(chǎn)生無(wú)序勢(shì)，調(diào)控延展態(tài)、局域態(tài)、玻色玻璃態(tài)。（5）建立簡(jiǎn)并原子氣體人造規(guī)范勢(shì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；掌握阿貝爾/非阿貝爾人造規(guī)范勢(shì)、新穎周期性有效磁場(chǎng)、高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)；實(shí)現(xiàn)人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并原子氣體量子渦旋與渦旋晶格，明確玻色量子霍爾態(tài)、分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)、阿貝爾/非阿貝爾任意子、磁單極子等拓?fù)鋺B(tài)實(shí)驗(yàn)機(jī)制；理論上掌握各種拓?fù)鋺B(tài)數(shù)值計(jì)算辦法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究各種拓?fù)鋺B(tài)基本性質(zhì)。（6）基于人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并原子氣體拓?fù)鋺B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)量子仿真應(yīng)用；研究拓?fù)浣^緣體實(shí)驗(yàn)機(jī)制及其在信息存儲(chǔ)方面應(yīng)用；基于阿貝爾和非阿貝爾任意子，研究其在拓?fù)淞孔佑?jì)算方面應(yīng)用。（7）建立超冷極性分子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)混合氣體共同冷卻、俘獲和深度冷卻，即實(shí)現(xiàn)Rb、Yb原子和Li、Cs原子磁光阱和光偶極阱；在偶極阱中實(shí)現(xiàn)兩種組份原子氣體共同俘獲和深度冷卻。在此基本上，運(yùn)用兩種原子間超冷碰撞、光締合、Feshbach共振等特性，摸索獲得超冷RbYb分子以及超冷LiCs分子技術(shù)辦法，獲得超冷極性分子。（8）揭示超冷原子分子體系量子關(guān)聯(lián)特性，以及旋量簡(jiǎn)并氣體中激化催化自旋混合動(dòng)力學(xué)行為和特性，發(fā)展基于原子—分子暗態(tài)量子光存儲(chǔ)與調(diào)控理論；掌握和發(fā)展超冷分子精密操控技術(shù)，為極性分子動(dòng)力學(xué)、超冷化學(xué)等研究奠定基本。五年期間預(yù)期在國(guó)際一流與重要學(xué)術(shù)刊物上(例如Phys.Rev.)刊登高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文200篇以上，其中在Nature，Science，NaturePhysics和Phys.Rev.Lett.刊登論文10篇以上，申請(qǐng)國(guó)家創(chuàng)造專(zhuān)利8項(xiàng)以上。培養(yǎng)5名左右國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、長(zhǎng)江學(xué)者、百人籌劃、教誨部新世紀(jì)人才等中青年學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)60多名博士生和20多名博士后。

三、研究方案本項(xiàng)目整體學(xué)術(shù)思路是在已有冷原子體系實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，運(yùn)用新量子調(diào)控手段和新測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建老式方式難以實(shí)現(xiàn)光晶格幾何構(gòu)型、原子互相作用形式以及豐富內(nèi)部自由度可調(diào)控量子多體系統(tǒng)，研究新穎量子態(tài)和奇異物性，仿真Hubbard模型、低維量子磁性系統(tǒng)和規(guī)范場(chǎng)；制備超冷極性分子并研究其物性；突破既有實(shí)驗(yàn)中核心技術(shù)，發(fā)展新量子調(diào)控手段，摸索新型量子控制器件，如圖1所示。圖1本項(xiàng)目整體學(xué)術(shù)思路和技術(shù)途徑詳細(xì)技術(shù)途徑：1．光晶格中超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。運(yùn)用精密激光系統(tǒng)和超高真空裝臵得到穩(wěn)定光學(xué)晶格系統(tǒng)，建立凝聚態(tài)系統(tǒng)模仿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。光晶格系統(tǒng)將采用850nm紅失諧激光（原子捕獲在光強(qiáng)極大值處），形成光晶格，研究原子關(guān)聯(lián)和輸運(yùn)等物理性質(zhì)。咱們量子調(diào)控重要涉及：（1）運(yùn)用Feshbach共振變化原子間散射長(zhǎng)度，從吸引到排斥，從弱互相作用到強(qiáng)互相作用；（2）運(yùn)用激光束把原子束縛在光格子周期勢(shì)阱谷底從而加強(qiáng)原子間局域互相作用，把冷原子系統(tǒng)限制在一維、二維或三維空間中，研究不同維度下量子特性變化；（3）調(diào)節(jié)激光波長(zhǎng)，研究晶格參數(shù)對(duì)量子態(tài)影響；（4）研究具備不同幾何構(gòu)造光晶格冷原子系統(tǒng)中量子態(tài)。在此基本上，構(gòu)建阻挫相（FrustrationPhase）與環(huán)狀態(tài)(CyclicState)等國(guó)際上尚未開(kāi)展研究奇異“物質(zhì)”。關(guān)于阻挫相咱們重要運(yùn)用銣原子玻色氣體建立二維光晶格，調(diào)節(jié)不同方向光晶格激光光強(qiáng)，以變化不同方向光晶格原子之間隧穿粒子流。咱們將運(yùn)用二維光晶格來(lái)模仿這種新“物質(zhì)”狀態(tài)，并研究它們相變機(jī)理。關(guān)于環(huán)狀態(tài)，咱們研究重要運(yùn)用銣原子玻色氣體建立一維光晶格，將玻色原子制備在F=2態(tài)上，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)原子散射長(zhǎng)度，從而變化光晶格中原子間互相作用。咱們將運(yùn)用一維光晶格來(lái)模仿這種新量子物質(zhì)狀態(tài)，并研究它們相變機(jī)理。通過(guò)超輻射散射、Raman散射等辦法探測(cè)各種奇異物態(tài)相變。研究凝聚體在不同量子態(tài)下與光場(chǎng)互相作用，尋找不同動(dòng)量散射物理機(jī)理。通過(guò)對(duì)光信號(hào)合伙輻射放大探測(cè)手段和方式，測(cè)量原子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及動(dòng)力學(xué)特性。當(dāng)前普通使用吸取成像法來(lái)計(jì)算原子數(shù)目和溫度以及原子空間分布，這種辦法缺陷是破壞性探測(cè)，并且受衍射極限影響，辨別率不高，漲落比較大。但愿通過(guò)對(duì)原子散射光探測(cè)或者用輔助泵浦光將原子激發(fā)到其他態(tài)熒光信號(hào)，這種新探測(cè)方式和吸取成像方式共同使用對(duì)下面過(guò)程進(jìn)行探測(cè)：（1）物質(zhì)波光柵、散射光波光柵、駐波光場(chǎng)三者之間互相作用；（2）相干物質(zhì)波和光波之間耦合演化過(guò)程；（3）原子或者光子攜帶信息在物質(zhì)波和光波之間互相傳遞。另一方面，通過(guò)原子在紅藍(lán)失諧光晶格中光頻移特性，以及光學(xué)晶格中由于光場(chǎng)漲落而導(dǎo)致局域化量子態(tài)研究。2．低維簡(jiǎn)并氣體量子磁性和無(wú)序效應(yīng)仿真平臺(tái)以及超高辨別率原位測(cè)量技術(shù)。發(fā)展超高辨別率原位成像技術(shù)。慣用BEC吸取成像裝臵由于光學(xué)數(shù)值孔徑限制，成像辨別率普通在5－10微米，并且對(duì)于吸取成像技術(shù)來(lái)說(shuō)吸取率太大，無(wú)法對(duì)BEC進(jìn)行原位成像。通過(guò)大幅度提高成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑，將BEC成像辨別率提高到1微米左右，同步通過(guò)將原子束縛在低維系統(tǒng)中，增長(zhǎng)BEC尺寸，使吸取率減少到適合吸取成像范疇，從而可以原位觀測(cè)BEC密度分布和漲落。與原則飛行時(shí)間測(cè)量辦法相比，原位測(cè)量大大豐富了從BEC中提取物理信息能力，特別是對(duì)某些非周期性量子態(tài)（如鐵磁體磁疇）觀測(cè)具備不可代替意義。維度對(duì)簡(jiǎn)并量子氣體性質(zhì)影響很大，在普通凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)上難以得到維度可調(diào)實(shí)驗(yàn)樣品。而在超冷原子系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)各種維度簡(jiǎn)并量子氣體，并觀測(cè)各種系統(tǒng)性質(zhì)在維度渡越過(guò)程中變化，因此在維度有關(guān)性質(zhì)研究中具備不可代替優(yōu)勢(shì)。無(wú)序即混亂無(wú)規(guī)則狀態(tài)。無(wú)序種類(lèi)和特性可以依照光晶格被破壞方式和限度來(lái)定義，涉及臵換無(wú)序、拓?fù)錈o(wú)序等。調(diào)控帶自旋超冷原子系統(tǒng)延展態(tài)和局域態(tài)，研究局域態(tài)和延展態(tài)之間相變，以及它們和系統(tǒng)維數(shù)關(guān)系，研究局域化長(zhǎng)度與平均自由程關(guān)系。3．人造規(guī)范勢(shì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和有關(guān)量子拓?fù)湫?yīng)。（1）玻色銣原子簡(jiǎn)并氣體和費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體人造規(guī)范勢(shì)：人們已經(jīng)從理論上明確了人造規(guī)范勢(shì)基本原理，即：運(yùn)用激光場(chǎng)與原子內(nèi)態(tài)耦合以產(chǎn)生Berry相位，而B(niǎo)erry相位導(dǎo)致隨空間變化等效矢量勢(shì)；這種空間依賴關(guān)系或者來(lái)源于激光強(qiáng)度空間分布，或者來(lái)源于激光與原子失諧量變化。本項(xiàng)目中，咱們擬運(yùn)用銣原子與鐿原子型能級(jí)構(gòu)造(S=1/2)與一對(duì)拉曼光形成阿貝爾規(guī)范場(chǎng)；還可以運(yùn)用銣原子Tripod型能級(jí)構(gòu)造(F=1)以及三束耦合激光形成兩個(gè)簡(jiǎn)并暗態(tài)，并通過(guò)控制激光強(qiáng)度分布等產(chǎn)生非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)。（2）量子渦旋形成與探測(cè)：量子渦旋是由規(guī)范場(chǎng)相應(yīng)有效磁場(chǎng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)，其探測(cè)辦法普通是用常規(guī)吸取成像技術(shù)來(lái)記錄自由飛行之后原子密度分布。對(duì)于一維光晶格系統(tǒng)中渦旋陣列，原子云密度分布也許無(wú)法反映渦旋存在，但咱們此前理論工作表白可以通過(guò)原子云密度—密度關(guān)聯(lián)提取渦旋信息。此外，制造有效磁場(chǎng)激光耦合了原子不同磁子能級(jí)，因此渦旋激發(fā)實(shí)驗(yàn)不適當(dāng)在普通靜磁阱中實(shí)行；咱們擬將銣原子BEC轉(zhuǎn)移到大失諧光阱中。波長(zhǎng)為1.06微米大功率(10W以上)單縱模激光器可用來(lái)囚禁銣原子BEC，還可以做為光晶格光源。（3）費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體實(shí)驗(yàn)：通過(guò)鐿原子塞曼減速與兩級(jí)激光冷卻，咱們已經(jīng)獲得溫度100K量級(jí)鐿原子氣體。進(jìn)一步用波長(zhǎng)532nm高功率激光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)失諧光阱（FORT），高斯光束聚焦后可以獲得深度達(dá)到mK量級(jí)光阱。蒸發(fā)冷卻可以通過(guò)逐漸減少光阱深度辦法進(jìn)行，使原子云溫度減少到1K甚至更低。費(fèi)米同位素171Yb蒸發(fā)冷卻可以借助于兩種不同自旋組份原子之間s波碰撞。另一種可行方案是運(yùn)用費(fèi)米同位素與玻色同位素之間s波碰撞實(shí)行協(xié)同冷卻，在足夠低溫度下可以獲得費(fèi)米—玻色混合簡(jiǎn)并氣體。（4）高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)：對(duì)于簡(jiǎn)并玻色氣體，采用兩束移動(dòng)和交叉周期激光，可以實(shí)現(xiàn)制備玻色量子霍爾態(tài)所需高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)。對(duì)于費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體，運(yùn)用較弱互合躍遷(1S0-3P1)產(chǎn)生極大抑制光子散射暗態(tài)，從而得到具備量子相干性高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)分子量子霍爾態(tài)需要高填充因子（例如5/2填充因子）；對(duì)于171Yb費(fèi)米氣體而言，超低溫下費(fèi)米子泡利阻塞效應(yīng)極大抑制了原子碰撞效應(yīng)，也有助于保持人造規(guī)范勢(shì)相干性。4.超冷極性分子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。運(yùn)用超冷混合原子氣體，甚至是混合量子簡(jiǎn)并氣體，通過(guò)光晶格、光締合和Feshbach共振等量子調(diào)控手段，可以將超冷原子混合氣體制備成超冷極性分子，帶來(lái)與原子氣體完全不同各向異性長(zhǎng)程互相作用，為量子模仿提供豐富研究體系。咱們將對(duì)Rb和Yb原子混合量子簡(jiǎn)并氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究。重要從兩個(gè)方面展開(kāi)：運(yùn)用Rb和Yb混合量子簡(jiǎn)并氣體進(jìn)行量子模仿。例如，運(yùn)用不同光晶格對(duì)兩種原子進(jìn)行分別控制，用Yb原子藍(lán)光共振性作為“量子探針”對(duì)Rb量子拓?fù)湫图ぐl(fā)進(jìn)行高辨別觀測(cè)；運(yùn)用Yb原子對(duì)磁場(chǎng)不敏感特點(diǎn)，對(duì)Rb和Yb進(jìn)行分別全局量子操作和瞬間分離，分析量子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)此前無(wú)法觀測(cè)到瞬態(tài)現(xiàn)象。運(yùn)用價(jià)電子數(shù)差別，構(gòu)造更為復(fù)雜可控量子系統(tǒng)，對(duì)某些新穎量子現(xiàn)象進(jìn)行模仿。理論分析表白，像RbYb這樣異核重原子混合是最有效增強(qiáng)EDM效應(yīng)辦法。咱們將運(yùn)用Rb和Yb合成超冷極性分子，研究極性分子長(zhǎng)程互相作用及有關(guān)物性。（1）獲得Rb和Yb原子混合量子簡(jiǎn)并氣體技術(shù)路過(guò)如下：（i）分別建立Rb原子和Yb原子塞曼冷卻器和磁光阱。用780nm激光對(duì)Rb原子實(shí)現(xiàn)塞曼冷卻器和磁光阱，并通過(guò)四極磁阱和光偶極阱構(gòu)成混合勢(shì)阱中實(shí)現(xiàn)BEC。用1064nm激光構(gòu)建Rb原子光學(xué)晶格和無(wú)序光晶格，研究Rb原子BEC量子輸運(yùn)性質(zhì)。（ii）用399nm藍(lán)色激光實(shí)現(xiàn)Yb原子塞曼冷卻器，用556nm綠色激光實(shí)現(xiàn)Yb原子磁光阱，用1064nm激光分別將Yb原子俘獲到光偶極勢(shì)阱中。（iii）改建并連接兩套系統(tǒng)，對(duì)Rb、Yb原子同步進(jìn)行磁光阱冷卻和光偶極囚禁，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)組份原子混合，對(duì)Rb原子進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，并通過(guò)協(xié)同冷卻同步減少Yb原子溫度。通過(guò)光締合或Feshbach共振等技術(shù)，在光偶極阱或光學(xué)晶格中形成超冷RbYb分子。（2）獲得Li和Cs原子混合量子簡(jiǎn)并氣體技術(shù)路過(guò)如下：（i）用671nm激光實(shí)現(xiàn)Li原子塞曼減速器和磁光阱；用852nm激光實(shí)現(xiàn)Cs原子二維磁光阱和磁光阱，用1064nm激光形成光偶極勢(shì)阱對(duì)Li、Cs原子進(jìn)行囚禁，通過(guò)蒸發(fā)冷卻使得Cs原子簡(jiǎn)并。用Cs原子協(xié)同冷卻Li原子使其達(dá)到量子簡(jiǎn)并。（ii）使用大磁場(chǎng)使得Li、Cs原子形成Feshbach共振分子，然后使用相干雙光子過(guò)程（pump-dump）形成基態(tài)強(qiáng)綁定分子。運(yùn)用外場(chǎng)調(diào)節(jié)分子分子互相作用，使得蒸發(fā)冷卻可以進(jìn)行，從而達(dá)到較高相空間密度，實(shí)現(xiàn)超冷分子量子相變。（iii）將超冷分子導(dǎo)入光晶格，研究冷分子在光晶格中相變過(guò)程與參量響應(yīng)。減少Cs原子密度而使之形成隨機(jī)散射點(diǎn)，研究鋰原子在隨機(jī)散射場(chǎng)里滲流相變過(guò)程。本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)與特色：（1）咱們調(diào)控對(duì)象一是具備宏觀量子相干性量子簡(jiǎn)并氣體，二是具備大極性由超冷原子合成新型分子。（2）新量子調(diào)控手段，如規(guī)范勢(shì)，維度控制和內(nèi)態(tài)操控等。（3）新實(shí)驗(yàn)辦法，如運(yùn)用超輻射觀測(cè)量子相變，運(yùn)用超高辨別率（1-2微米）原位測(cè)量技術(shù)觀測(cè)磁疇，運(yùn)用新人造規(guī)范場(chǎng)技術(shù)研究拓?fù)鋺B(tài)，制備大極性RbYb分子等。（4）注重研究新物理問(wèn)題。本項(xiàng)目所涉及超冷原子系統(tǒng)玻色量子霍爾態(tài)、阻挫量子相變、維度和磁有序競(jìng)爭(zhēng)，電偶長(zhǎng)程作用各向異性效應(yīng)等是理論上已有一定研究，但實(shí)驗(yàn)上尚有待摸索課題。（5）強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。本項(xiàng)目不單獨(dú)設(shè)立理論課題，理論工作者直接融入各實(shí)驗(yàn)課題，配合并指引實(shí)驗(yàn)。（6）多學(xué)科有機(jī)交叉。運(yùn)用可控冷原子冷分子系統(tǒng)進(jìn)行量子仿真，可以充分研究諸多在自然界系統(tǒng)中無(wú)法調(diào)控物理量，發(fā)掘其物理規(guī)律和本質(zhì)。同步又可以研究量子力學(xué)基本問(wèn)題，反映出粒子量子特性。本項(xiàng)目將原子分子物理、量子光學(xué)、凝聚態(tài)物理、記錄物理和量子信息等學(xué)科有機(jī)地結(jié)合了起來(lái)。本項(xiàng)目可行性分析：（1）研究隊(duì)伍實(shí)力雄厚，學(xué)術(shù)氛圍良好。項(xiàng)目構(gòu)成員都是從事冷原子分子研究第一線科研人員。人員構(gòu)造合理，有院士、杰青、百人，兼顧了歷史延續(xù)和老中青結(jié)合。研究人員實(shí)力很強(qiáng)，隊(duì)伍團(tuán)結(jié)，協(xié)作密切。（２）前期工作積累深厚，在某些實(shí)驗(yàn)技術(shù)上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。項(xiàng)目構(gòu)成員近年來(lái)始終從事冷原子實(shí)驗(yàn)和理論研究，進(jìn)入該領(lǐng)域國(guó)際研究前沿。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，咱們已經(jīng)搭建了4個(gè)具備國(guó)際先進(jìn)水平冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。咱們多項(xiàng)工作已在國(guó)際上產(chǎn)生重大影響，在國(guó)際權(quán)威雜志Phys.Rev.Lett.上刊登了30多篇論文。近年來(lái)，項(xiàng)目承擔(dān)單位上海光機(jī)所、北大、清華、武漢物理所、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所和物理所都投入了大量人力、物力和財(cái)力，為本項(xiàng)目實(shí)行打下了可靠基本。（3）理論實(shí)驗(yàn)互相增進(jìn)。咱們理論工作預(yù)言曾被國(guó)際上其他小組實(shí)驗(yàn)證明。例如，咱們預(yù)言光晶格中冷原子在能帶間量子隧穿效應(yīng)[W.M.Liuetal.，PRL88，170408()，被SCI她引102次]在被意大利佛羅倫薩大學(xué)G.M.Tino專(zhuān)家實(shí)驗(yàn)證明[V.V.Ivanovetal.，PRL100，043602()]。咱們理論正在和咱們當(dāng)前實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。（4）各課題組聯(lián)系密切。本相目六家研究單位已經(jīng)建立了良好合伙關(guān)系，在平時(shí)合伙中可以做到互通有無(wú)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相影響，共同進(jìn)步。例如，北京大學(xué)得到了初步實(shí)驗(yàn)成果后，邀請(qǐng)物理所理論研究人員進(jìn)行解釋?zhuān)⒅敢乱徊綄?shí)驗(yàn)，已有某些合伙成果刊登，較早有：W.D.Li，X.J.Zhou，Y.Q.Wang，J.Q.Liang，W.M.Liu，Phys.Rev.A64，015602()；較近有：X.F.Zhang，Q.Yang，J.F.Zhang，X.Z.Chen，W.M.Liu，Phys.Rev.A77，023613()。又例如，北京大學(xué)和北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所也有密切合伙，關(guān)于玻色—愛(ài)因斯坦凝聚宏觀量子隧穿和集體激發(fā)研究成果刊登在G.F.Wang，D.F.Ye，L.B.Fu，X.Z.Chen，andJ.Liu,Phys.Rev.A74，033414()和G.Q.Li，L.B.Fu，J.K.Xue，X.Z.Chen，andJ.Liu.Phys.Rev.A74，055601()。另一方面，物理所在搭建冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)北京大學(xué)也提供了很有益處實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持。（5）研究物理問(wèn)題新穎、迫切，并且近期有也許獲得突破。項(xiàng)目構(gòu)成員充分調(diào)研了本學(xué)科國(guó)際研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略需要，以及自己特色和長(zhǎng)處，并考慮到近期完畢也許性，精心制定了研究問(wèn)題。新穎量子態(tài)如玻色量子霍爾態(tài)，多組份費(fèi)米子配對(duì)態(tài)等都是量子多體理論中非常關(guān)懷科學(xué)問(wèn)題，在凝聚態(tài)物理中缺少充分有效研究手段，冷原子系統(tǒng)由于參數(shù)可調(diào)等眾多長(zhǎng)處，提供了一種較好模仿平臺(tái)。超冷極性分子制備和物性研究在國(guó)際上尚處在起步階段，咱們但愿結(jié)合咱們長(zhǎng)處，在這方面作出國(guó)際領(lǐng)先工作。（6）研究方案詳細(xì)，切實(shí)可行。本項(xiàng)目構(gòu)成員近年來(lái)始終研究冷原子系統(tǒng)，玻色—愛(ài)因斯坦凝聚以及原子和光互相作用等，有豐富研究經(jīng)驗(yàn)。研究路線通過(guò)項(xiàng)目構(gòu)成員和某些研究專(zhuān)家集中討論，仔細(xì)規(guī)劃。咱們充分結(jié)識(shí)到了在本項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)會(huì)遇到核心技術(shù)問(wèn)題，制定了相應(yīng)解決方案，涉及真空系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)，甚至激光詳細(xì)參數(shù)。有先進(jìn)冷原子分子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，新調(diào)控手段，理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合與互相增進(jìn)，咱們一定會(huì)在超冷原子、分子新穎量子態(tài)和量子仿真研究方面獲得突破性進(jìn)展，推動(dòng)國(guó)內(nèi)冷原子物理發(fā)展。課題設(shè)立本項(xiàng)目由中華人民共和國(guó)科學(xué)院物理研究所、中華人民共和國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中華人民共和國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所共同承擔(dān)。本項(xiàng)目核心科學(xué)問(wèn)題是，在超冷原子、分子以及玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，發(fā)現(xiàn)具備不同幾何構(gòu)造、維度、組份、互相作用、自旋等參數(shù)超冷原子、分子系統(tǒng)中新穎量子態(tài)和奇異物性，研究外場(chǎng)與超冷原子、分子體系互相作用以及對(duì)量子態(tài)調(diào)控機(jī)理，發(fā)展新檢測(cè)、表征和調(diào)控技術(shù)，攻克超冷原子、分子系統(tǒng)量子仿真及其新型量子器件中重大科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，為冷原子、分子物理量子調(diào)控奠定基本原理和核心技術(shù)基本。本項(xiàng)目分為如下四個(gè)課題：課題1：光晶格中超冷原子關(guān)聯(lián)效應(yīng)與量子相變研究；承擔(dān)任務(wù)：1.光晶格超冷原子人造凝聚態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；2.光晶格中超冷原子關(guān)聯(lián)特性探測(cè)新辦法；3．光晶格中超輻射與量子相變測(cè)量；4．光晶格中超冷原子鐘躍遷頻率精密測(cè)量經(jīng)費(fèi)比例：24%承擔(dān)單位：北京大學(xué)、清華大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：陳徐宗學(xué)術(shù)骨干：李家明、王義遒、劉新元、周小計(jì)課題2：簡(jiǎn)并氣體量子磁性和無(wú)序性質(zhì)研究；承擔(dān)任務(wù)：（1）建立低維超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。運(yùn)用咱們既有BEC裝置在光學(xué)調(diào)控自由度方面優(yōu)勢(shì)，建立國(guó)際一流低維可調(diào)控量子多體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。（2）發(fā)展超高空間辨別率原位測(cè)量技術(shù)，建立辨別率達(dá)到微米量級(jí)光學(xué)吸取成像系統(tǒng)，用于直接觀測(cè)低維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)密度分布及其漲落。（3）通過(guò)調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)維度渡越，揭示量子磁性系統(tǒng)有序無(wú)序轉(zhuǎn)變過(guò)程，以及元激發(fā)演化過(guò)程。通過(guò)觀測(cè)超冷原子鐵磁系統(tǒng)中磁疇演化，以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)特性，揭示無(wú)窮階相變序參量和標(biāo)度行為。（4）運(yùn)用無(wú)序勢(shì)，實(shí)現(xiàn)Anderson局域化，進(jìn)一步揭示互相作用對(duì)Anderson局域化影響；調(diào)控延展態(tài)和局域態(tài)，模仿無(wú)序自旋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自旋玻璃態(tài)。經(jīng)費(fèi)比例：30%承擔(dān)單位：中華人民共和國(guó)科學(xué)院物理研究所、清華大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：劉伍明學(xué)術(shù)骨干：李師群、翟薈、王如泉、汪漢廷課題3：人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并原子氣體拓?fù)湫再|(zhì)研究；承擔(dān)任務(wù)：1.玻色銣原子簡(jiǎn)并氣體和費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體人造規(guī)范勢(shì)；2.量子渦旋形成與探測(cè)；3．費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體實(shí)驗(yàn)；4．高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)制備。經(jīng)費(fèi)比例：22%承擔(dān)單位：中華人民共和國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：呂寶龍學(xué)術(shù)骨干：劉杰、熊宏偉、傅立斌、余永樂(lè)課題4：超冷極性分子氣體制備及其物性研究。承擔(dān)任務(wù)：（1）Rb、Yb原子共同冷卻、俘獲和混合實(shí)驗(yàn)辦法；（2）Rb、Yb原子超冷碰撞參數(shù)測(cè)量，RbYb分子形成和進(jìn)一步冷卻實(shí)驗(yàn)辦法；（3）Li、Cs原子共同冷卻、俘獲和混合及LiCs分子形成實(shí)驗(yàn)辦法；（4）超冷極性分子長(zhǎng)程互相作用調(diào)控手段。經(jīng)費(fèi)比例：24%承擔(dān)單位：中華人民共和國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所課題負(fù)責(zé)人：洪濤學(xué)術(shù)骨干：王育竹、馬兆遠(yuǎn)、周蜀渝、徐震各課題間互有關(guān)系這4個(gè)課題互相聯(lián)系，各有側(cè)重。課題1著重發(fā)展光晶格調(diào)控手段和超輻射探測(cè)技術(shù)，側(cè)重研究量子氣體關(guān)聯(lián)效應(yīng)和相變特性。課題2運(yùn)用光晶格技術(shù)，同步發(fā)展高辨別率原位測(cè)量技術(shù)，側(cè)重研究低維系統(tǒng)中超冷原子、分子磁性和無(wú)序效應(yīng)。課題1和2在發(fā)展光晶格調(diào)控手段上技術(shù)共享。課題3則通過(guò)產(chǎn)生人造規(guī)范場(chǎng)這一全新調(diào)控手段，研究簡(jiǎn)并原子氣體拓?fù)淞孔討B(tài)等新穎物性。對(duì)這些拓?fù)鋺B(tài)探測(cè)會(huì)充分運(yùn)用課題1和2發(fā)展超輻射和原位測(cè)量技術(shù)。另一方面，當(dāng)人造規(guī)范場(chǎng)這一調(diào)控手段發(fā)展成熟后來(lái)，可以進(jìn)一步和課題1，2發(fā)展光晶格結(jié)合起來(lái)，開(kāi)辟冷原子物理研究新方向。課題4側(cè)重于通過(guò)簡(jiǎn)并量子混合氣體制備，產(chǎn)生超冷極性分子。這一研究將發(fā)展光締合等新調(diào)控技術(shù)，其前期簡(jiǎn)并混合氣體制備環(huán)節(jié)會(huì)和課題1—3有大量技術(shù)交流。綜上所述，課題1-4將實(shí)現(xiàn)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、辦法、成果資源共享和互相補(bǔ)充，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)密切合伙，從不同角度研究超冷原子、分子中新穎量子態(tài)。本項(xiàng)目課題設(shè)臵思路如圖2表達(dá)：圖2.本項(xiàng)目課題設(shè)臵思路和各課題互有關(guān)系示意圖

四、年度籌劃年度研究?jī)?nèi)容預(yù)期目的第一年（1）將超冷Rb原子簡(jiǎn)并氣體裝載到光學(xué)晶格中，發(fā)展新辦法對(duì)其進(jìn)行量子調(diào)控，重要涉及：運(yùn)用激光把原子束縛在光格子周期勢(shì)阱谷底從而加強(qiáng)原子間局域互相作用，把冷原子系統(tǒng)限制在一維、二維或三維空間中，研究不同維度下量子特性變化；調(diào)節(jié)不同激光波長(zhǎng)，研究晶格參數(shù)對(duì)量子態(tài)影響。改造已有銣原子BEC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究BEC在無(wú)序光晶格中輸運(yùn)性質(zhì)。升級(jí)既有Rb原子BEC裝置，運(yùn)用轉(zhuǎn)移線圈將BEC中心轉(zhuǎn)移到距離磁光阱中心5厘米下方。購(gòu)買(mǎi)或自制實(shí)現(xiàn)人造規(guī)范勢(shì)有關(guān)激光器、光學(xué)器件與電子儀器等。（2）改進(jìn)鐿原子冷卻真空裝臵。研究鐿原子各種玻色和費(fèi)米同位素亞多普勒冷卻技術(shù)。研究銣原子BEC到1064nm遠(yuǎn)失諧光阱(FORT)裝載過(guò)程以及冷原子云在FORT中蒸發(fā)冷卻技術(shù)。（3）設(shè)計(jì)銣鐿混合真空系統(tǒng)，訂購(gòu)所需真空、光學(xué)等元件。（4）理論研究周期性人造規(guī)范勢(shì)新方案。研究產(chǎn)生人造規(guī)范勢(shì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)方案，涉及光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)等。（5）本項(xiàng)目首席科學(xué)家劉伍明作為冷原子與玻色－愛(ài)因斯坦凝聚國(guó)際知名專(zhuān)家負(fù)責(zé)籌辦第26屆低溫物理國(guó)際會(huì)議(The26thInternationalConferenceonLowTemperaturePhysics)第一分會(huì)—量子氣體、流體和固體（QuantumGases，F(xiàn)luidsandSolids）。低溫物理國(guó)際會(huì)議是涉及原子及分子物理一種重要學(xué)術(shù)會(huì)議。冷原子和量子仿真本次會(huì)議核心內(nèi)容。咱們通過(guò)前一期973項(xiàng)目資助，已經(jīng)做出在國(guó)際上有影響原創(chuàng)性工作，培養(yǎng)一批具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力創(chuàng)新人才，提高國(guó)內(nèi)冷原子、分子物理整體水平并使之步入國(guó)際先進(jìn)行列。但是為了保持國(guó)內(nèi)在將來(lái)國(guó)際高新科學(xué)技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地，咱們需要與國(guó)際同行保持高效溝通。通過(guò)籌辦這次會(huì)議，咱們將在擴(kuò)大本項(xiàng)目成果知名度同步，與國(guó)際同行進(jìn)行更進(jìn)一步交流和合伙。（1）通過(guò)控制冷原子系統(tǒng)幾何構(gòu)造、維度、組份等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，調(diào)控超冷原子量子多體系統(tǒng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)特性和非平衡態(tài)過(guò)程新辦法。實(shí)驗(yàn)上使裝置在10個(gè)方向都可以安排調(diào)控激光光束。完畢有關(guān)光學(xué)和電子儀器購(gòu)買(mǎi)。（2）提高M(jìn)OT腔真空度，使其優(yōu)于10-8Pa。掌握鐿原子亞多普勒冷卻技術(shù)，原子云溫度低于100μK；掌握FORT中銣原子BEC裝載和光阱中蒸發(fā)冷卻技術(shù)。（3）實(shí)現(xiàn)磁光混合型BEC產(chǎn)生裝置。（4）掌握人造規(guī)范勢(shì)中BEC動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算辦法。擬定關(guān)于銣原子BEC人造規(guī)范勢(shì)詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案。（5）加強(qiáng)國(guó)際冷原子物理交流和合伙，擴(kuò)大咱們?cè)诒绢I(lǐng)域研究成果影響力。次年（1）運(yùn)用Feshbach共振變化光學(xué)晶格中中原子間散射長(zhǎng)度從而調(diào)節(jié)原子間耦合強(qiáng)度，從吸引到排斥，從弱互相作用到強(qiáng)互相作用。通過(guò)研究光晶格中超冷原子超輻射散射發(fā)展光晶格中冷原子特性新探測(cè)辦法：涉及變化光晶格強(qiáng)度、維度、周期；泵浦脈沖光長(zhǎng)短、強(qiáng)度、入射角度；冷原子超流態(tài)、粒子數(shù)態(tài)、某些相干態(tài)量子狀態(tài)，研究不同量子態(tài)與光場(chǎng)互相作用新效應(yīng)。運(yùn)用二維光晶格系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子緊束縛，規(guī)定原子溫度遠(yuǎn)不大于晶格徑向束縛相應(yīng)溫度。原子系統(tǒng)具備足夠相干時(shí)間。同步發(fā)展超高空間辨別率原位測(cè)量系統(tǒng)，搭建空間辨別率為2微米光學(xué)吸取成像系統(tǒng)。研究FORT光阱中銣原子BEC電磁感應(yīng)透明(EIT)現(xiàn)象。仿真Hubbard模型。（2）研究鐿原子到交叉光阱中轉(zhuǎn)移以及交叉光阱中鐿原子蒸發(fā)冷卻；研究如何提高光阱中BEC壽命與光阱參數(shù)關(guān)系。（3）構(gòu)建銣鐿混合真空系統(tǒng)，用780nm激光和399nm、556nm激光產(chǎn)生Rb原子和Yb原子磁光阱，用1064nm單模激光實(shí)現(xiàn)Rb原子光偶極阱，并獲得Rb原子BEC。（4）理論研究非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)形成機(jī)理及有關(guān)磁單極子量子動(dòng)力學(xué)。理論上研究暗態(tài)建立與維持機(jī)制，謀求提高暗態(tài)壽命新思路。（1）掌握調(diào)控原子間互相作用新辦法，運(yùn)用超輻射散射方式，摸索物質(zhì)波、光晶格、合伙輻射散射光這三者之間關(guān)系，提供測(cè)量光晶格系統(tǒng)中冷原子各種奇異態(tài)量子相新探測(cè)辦法。規(guī)定原子溫度遠(yuǎn)不大于晶格徑向束縛相應(yīng)溫度。原子系統(tǒng)具備足夠相干時(shí)間?？臻g辨別率為2微米。運(yùn)用激光與銣原子Λ型能級(jí)產(chǎn)生暗態(tài)并觀測(cè)到BECEIT現(xiàn)象；結(jié)合理論研究，發(fā)現(xiàn)減少光子散射以延長(zhǎng)暗態(tài)壽命新思路。實(shí)現(xiàn)Hubbard模型仿真。（2）實(shí)現(xiàn)鐿原子交叉光阱裝載，通過(guò)蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)鐿原子玻色同位素BEC。銣原子BEC在FORT光阱中壽命達(dá)到100ms。在新系統(tǒng)上分別實(shí)現(xiàn)銣原子BEC以及鐿原子磁光阱。（3）形成分別得鋰和銫MOT，并用光阱全光阱捕獲，初步蒸發(fā)冷卻得到Cs原子簡(jiǎn)并，用Cs原子協(xié)同冷卻Li原子使其達(dá)到量子簡(jiǎn)并。（4）明確冷原子中磁單極子可觀測(cè)效應(yīng)以及產(chǎn)生方案。明確非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)形成機(jī)理及有關(guān)磁單極子量子動(dòng)力學(xué)。提出提高暗態(tài)壽命新思路。第三年（1）研究一維光晶格中Rb原子自旋（SpinorGases）氣體相變物理機(jī)理。通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度、原子散射長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)凝聚體從環(huán)狀到鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)相變。運(yùn)用徑向約束調(diào)節(jié)原子等效互相作用，研究系統(tǒng)特性從三維過(guò)渡到一維時(shí)變化。運(yùn)用毛玻璃產(chǎn)生無(wú)序勢(shì)，研究準(zhǔn)一維量子氣體Anderson局域化特性。調(diào)控延展態(tài)、局域態(tài)、玻色玻璃態(tài)?；诠廒迩艚鸕b原子BEC，研究基于暗態(tài)機(jī)制人造規(guī)范勢(shì)及其相應(yīng)有效磁場(chǎng)。研究高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)獲得。（2）研究鐿原子玻色-費(fèi)米混合氣體裝載以及光阱中協(xié)同冷卻。（3）完畢銣鐿混合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)銣鐿原子共同冷卻和俘獲，用1064nm單模激光實(shí)現(xiàn)Rb原子和Yb原子共同光偶極阱和光晶格。研究RbYb原子超冷碰撞性質(zhì)。涉及散射長(zhǎng)度測(cè)量、光締合、Feshbach共振等；研制用于進(jìn)行光締合和光學(xué)Feshbach共振激光器。（4）理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合分析人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并氣體渦旋態(tài)產(chǎn)生機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。(5)與量子調(diào)控有關(guān)冷原子物理機(jī)制和控制技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和將來(lái)高新技術(shù)發(fā)展，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有極為重要地位。本項(xiàng)目緊扣量子調(diào)控前沿領(lǐng)域，通過(guò)建立冷原子、分子以及簡(jiǎn)并量子氣體凝聚體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和仿真平臺(tái)，探討外加光場(chǎng)、磁場(chǎng)等與冷原子、分子體系互相作用以及量子態(tài)變化，從而對(duì)其進(jìn)行量子調(diào)控，研究量子仿真、新型量子器件以及頻率等有關(guān)物理量精密測(cè)量。本項(xiàng)目已獲得研究成果已經(jīng)在國(guó)際上獲得了一席之地，但在新型量子器件研究相對(duì)薄弱。關(guān)于冷原子和量子調(diào)控在量子器件上應(yīng)用需要國(guó)際同行間互相探討。因而，課題一承擔(dān)單位北京大學(xué)擬負(fù)責(zé)舉辦第二屆國(guó)際量子氣體學(xué)術(shù)會(huì)議一次。（1）觀測(cè)到這些量子態(tài)相變，以及不同有序態(tài)、不同序參量耦合下量子行為和量子相變,實(shí)現(xiàn)量子仿真。摸索維度渡越時(shí)浮現(xiàn)量子相比和新穎量子態(tài)。運(yùn)用有效磁場(chǎng)在銣原子BEC中激發(fā)渦旋態(tài)。（2）實(shí)驗(yàn)上完畢同化冷卻優(yōu)化，獲得超冷Yb原子費(fèi)米氣體。（3）實(shí)現(xiàn)銣鐿原子混合和囚禁，測(cè)量Rb-Yb原子間（涉及各種費(fèi)米和玻色子同位素）碰撞特性和互相作用參數(shù)，研究原子間超冷碰撞、光締合、Feshbach共振等特性。掌握和發(fā)展超冷混合量子氣體精密操控技術(shù)。運(yùn)用Feshbach共振使得Li，Cs原子形成分子，然后使用相干雙光子過(guò)程（pump-dump）形成基態(tài)強(qiáng)綁定分子。（4）明確人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并氣體渦旋態(tài)產(chǎn)生機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。（5)增進(jìn)國(guó)際同行學(xué)術(shù)交流和合伙。第四年（1）研究二維光晶格中Rb冷原子阻挫態(tài)物理機(jī)理。獲得二維光晶格玻色氣體，通過(guò)調(diào)節(jié)不同方向光晶格激光光強(qiáng)，變化不同方向光晶格超冷原子之間隧穿粒子流，觀測(cè)凝聚體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài)、共線態(tài)相變，并研究它們相變機(jī)理。運(yùn)用強(qiáng)光學(xué)束縛勢(shì)搭建準(zhǔn)二維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子緊束縛，規(guī)定原子溫度遠(yuǎn)不大于層間束縛相應(yīng)溫度。原子系統(tǒng)具備足夠相干時(shí)間。研究人造規(guī)范場(chǎng)作用下一維光晶格中超冷銣原子氣體量子相干和動(dòng)力學(xué)行為，通過(guò)一階或二階相干來(lái)進(jìn)一步研究量子相干。（2）研究鐿原子特殊基態(tài)超精細(xì)構(gòu)造對(duì)產(chǎn)生人造規(guī)范勢(shì)影響；購(gòu)臵或自制實(shí)驗(yàn)需要光學(xué)和電子設(shè)備。（3）研究Rb-Yb混合超冷原子氣體在磁光混合阱中相變和進(jìn)行量子仿真方面實(shí)驗(yàn)。（4）理論研究簡(jiǎn)并銣原子氣體在人造規(guī)范場(chǎng)作用下玻色量子霍爾態(tài)；研究簡(jiǎn)并Yb費(fèi)米氣體量子霍爾態(tài)和分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。理論研究超冷分子化學(xué)反映RbYb+RbYb->Rb2+Yb2過(guò)程中碰撞動(dòng)力學(xué)與外場(chǎng)調(diào)控技術(shù)。(5)舉辦第10屆海峽兩岸及國(guó)際量子調(diào)控會(huì)議。量子調(diào)控研究是當(dāng)前蓬勃發(fā)展一種領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外和海峽兩岸有諸多科學(xué)家在研究。咱們通過(guò)前一期973項(xiàng)目資助，已經(jīng)做出在國(guó)際上有影響原創(chuàng)性工作，培養(yǎng)一批具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力創(chuàng)新人才，提高國(guó)內(nèi)冷原子、分子物理整體水平并使之步入國(guó)際先進(jìn)行列。咱們已經(jīng)成為該會(huì)議重要參加者和骨干力量。但是，為了保持本項(xiàng)目在將來(lái)國(guó)際高新科學(xué)技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地。為了溝通海峽兩岸科學(xué)家，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成高效合伙方式，本項(xiàng)目擬舉辦第10屆海峽兩岸及國(guó)際量子調(diào)控會(huì)議。本次會(huì)議將匯集臺(tái)灣、內(nèi)地和國(guó)外一批專(zhuān)家與學(xué)者來(lái)探討該領(lǐng)域最新研究進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)向，特別是十二五期間該科學(xué)籌劃核心科學(xué)問(wèn)題，為有效地推動(dòng)該領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展，實(shí)現(xiàn)國(guó)家中長(zhǎng)期科技規(guī)劃擬定目的做出重要貢獻(xiàn)。（1）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)并Rb原子氣體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài)、共線態(tài)相變。發(fā)現(xiàn)不同量子態(tài)（如Mott態(tài)、自旋液體態(tài)等）與光場(chǎng)互相作用新效應(yīng)。規(guī)定原子溫度遠(yuǎn)不大于層間束縛相應(yīng)溫度。原子系統(tǒng)具備足夠相干時(shí)間。發(fā)現(xiàn)人造規(guī)范勢(shì)作用下一維光晶格系統(tǒng)新穎量子相干和動(dòng)力學(xué)行為。（2）依照細(xì)化后針對(duì)費(fèi)米Yb原子人造規(guī)范勢(shì)方案，完畢有關(guān)光學(xué)與電子器件準(zhǔn)備。揭示超冷混合原子凝聚效應(yīng)和奇異物性。（3）研究強(qiáng)綁定分子蒸發(fā)冷卻，從而達(dá)到較高相空間密度，實(shí)現(xiàn)超冷分子量子相變。（4）從量子多體角度明確銣原子BEC在人造規(guī)范場(chǎng)作用下玻色量子霍爾態(tài)。提出超冷化學(xué)新機(jī)制。(5)增進(jìn)國(guó)際同行學(xué)術(shù)交流、合伙，理解國(guó)際冷原子領(lǐng)域最新動(dòng)態(tài)。第五年（1）研究不同量子態(tài)條件下光晶格中Rb原子感受到光頻移。測(cè)量和計(jì)算不同失諧光晶格、原子不同溫度和分布、原子間互相作用、光場(chǎng)空間分布對(duì)原子光頻移影響以及光譜信號(hào)變化。運(yùn)用微波和光晶格囚禁超冷銣原子進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間互相作用，獲得超窄線寬參照譜線。研究外界剩余磁場(chǎng)、微波功率、原子量子態(tài)、光晶格勢(shì)壘等外部環(huán)境對(duì)該參照譜線和原子鐘穩(wěn)定度、精確度影響。調(diào)節(jié)束縛強(qiáng)度，研究系統(tǒng)從三維到二維時(shí)從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)變過(guò)程。通過(guò)操控外磁場(chǎng)，觀測(cè)鐵磁系統(tǒng)中磁疇演化，以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)特性。研究簡(jiǎn)并銣原子氣體在人造規(guī)范場(chǎng)作用下玻色量子霍爾態(tài)。（2）研究簡(jiǎn)并Yb原子費(fèi)米氣體量子霍爾態(tài)和分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。（3）研究Rb原子和Yb原子形成分子實(shí)驗(yàn)辦法。（4）理論研究非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)及有關(guān)磁單極子量子動(dòng)力學(xué)；研究簡(jiǎn)并原子氣體中拓?fù)浣^緣體實(shí)驗(yàn)方案、量子動(dòng)力學(xué)和可觀測(cè)效應(yīng)；結(jié)合已完畢研究?jī)?nèi)容，就拓?fù)浣^緣體應(yīng)用等方面進(jìn)行研究；結(jié)合新科學(xué)前沿問(wèn)題，進(jìn)一步理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合摸索量子多體仿真。（1）通過(guò)度析外場(chǎng)對(duì)光晶格中冷原子鐘躍遷譜線影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐘躍遷頻率精密測(cè)量，并加深對(duì)其中物理機(jī)制進(jìn)一步理解。通過(guò)操控外磁場(chǎng)，觀測(cè)鐵磁系統(tǒng)中磁疇演化，以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)特性。摸索簡(jiǎn)并銣原子氣體在人造規(guī)范場(chǎng)作用下玻色量子霍爾態(tài)。（2）實(shí)現(xiàn)Yb費(fèi)米氣體人造規(guī)范場(chǎng);明確超冷費(fèi)米氣體中量子霍爾態(tài)基本性質(zhì)。（3）摸索獲得超冷RbYb分子技術(shù)辦法，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)極性冷分子；獲得RbYb分子之后并對(duì)其物理性質(zhì)，例如，偶極互相作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，為進(jìn)一步基于新型分子量子仿真和精密測(cè)量搭建初步實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。從而建立基于超冷分子量子仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為極性分子動(dòng)力學(xué)、超冷化學(xué)等研究奠定基本。操控超冷分子，結(jié)合光晶格研究冷分子作為量子計(jì)算單元也許。（4）明確簡(jiǎn)并原子氣體中磁單極子新穎現(xiàn)象；明確簡(jiǎn)并原子氣體中拓?fù)浣^緣體量子動(dòng)力學(xué)行為；明確集體性超冷化學(xué)反映中多通道超選?。⊿uper-selective）定則與量子尺寸效應(yīng)等新效應(yīng)。（5）完畢項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收。

一、研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目將依托國(guó)內(nèi)已經(jīng)建立4個(gè)原子BEC平臺(tái)，充分考慮到國(guó)家在重要前沿科學(xué)學(xué)科布局和發(fā)展高新技術(shù)重大需求，環(huán)繞多體關(guān)聯(lián)系統(tǒng)量子態(tài)和奇異物性這一研究中心，在具備不同特色又緊密相連4個(gè)超冷原子、分子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，研究光晶格中量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，低維系統(tǒng)量子磁性，人造規(guī)范場(chǎng)中玻色量子霍爾態(tài)新穎量子現(xiàn)象和物理機(jī)理，極性分子系統(tǒng)長(zhǎng)程偶極互相作用物理效應(yīng)等問(wèn)題。這些研究將使得超冷原子、分子體系在量子仿真、超冷化學(xué)、精密測(cè)量等重要研究領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用并開(kāi)辟嶄新研究方向。通過(guò)集中研究具備宏觀量子相干性超冷原子、分子系統(tǒng)，特別是該系統(tǒng)中新量子態(tài)制備、物性和操控，本項(xiàng)目擬解決核心科學(xué)問(wèn)題是摸索超冷原子、分子系統(tǒng)中新穎物質(zhì)態(tài)及其物理規(guī)律。為此，咱們需要運(yùn)用冷原子系統(tǒng)調(diào)控手段靈活性，操控該量子多體系統(tǒng)幾何構(gòu)型、維數(shù)、互相作用和內(nèi)部自由度，發(fā)展人造規(guī)范勢(shì)、光締合、Feshbach共振、無(wú)序等調(diào)控方式和新測(cè)量辦法如超高空間辨別率原位測(cè)量、高敏捷超輻射散射譜。咱們結(jié)合已有4個(gè)超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各自特色和前期工作基本，從不同角度切入該核心科學(xué)問(wèn)題。重要研究?jī)?nèi)容：1．光晶格中超冷原子關(guān)聯(lián)效應(yīng)與量子相變。（1）通過(guò)調(diào)節(jié)激光波長(zhǎng)來(lái)調(diào)控晶格參數(shù)，研究晶格參數(shù)對(duì)量子態(tài)影響；研究具備不同幾何構(gòu)造光晶格中冷原子系統(tǒng)量子態(tài)。（2）研究自旋氣體（SpinorGases）相變機(jī)理，仿真Hubbard模型；通過(guò)變化磁場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)光晶格中原子間散射長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)凝聚體從環(huán)狀態(tài)到鐵磁態(tài)以及反鐵磁態(tài)相變。（3）研究二維光晶格中阻挫態(tài)物理機(jī)理；通過(guò)調(diào)節(jié)不同方向光晶格激光光強(qiáng)，形成不同方向光晶格原子之間不同隧穿粒子流，觀測(cè)凝聚體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài)，以及到共線態(tài)轉(zhuǎn)變，并研究它們相變機(jī)理。（4）摸索運(yùn)用超輻射散射、Raman散射等辦法探測(cè)光晶格中各種奇異物態(tài)相變新辦法。通過(guò)對(duì)光信號(hào)合伙輻射放大探測(cè)手段和方式，測(cè)量不同晶格間原子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及動(dòng)力學(xué)特性。（5）結(jié)合Feshbach共振，研究光晶格中原子光頻移和碰撞頻移。2．簡(jiǎn)并原子氣體量子磁性和無(wú)序性質(zhì)。（1）在已有玻色—愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)裝臵上搭建二維光晶格，通過(guò)強(qiáng)徑向束縛，使得原子能量遠(yuǎn)低于相應(yīng)能級(jí)劈裂，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)一維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)。（2）用徑向束縛勢(shì)調(diào)節(jié)原子等效互相作用。（3）運(yùn)用兩束交叉強(qiáng)激光光束形成緊束縛一維周期勢(shì)，或者運(yùn)用柱透鏡實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈匯聚柱狀高斯光束，搭建準(zhǔn)二維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)。（4）發(fā)展超高空間辨別率原位測(cè)量技術(shù)，選取適當(dāng)?shù)途S系統(tǒng)幾何參數(shù)，把BEC調(diào)節(jié)到適合光學(xué)成像尺寸，搭建辨別率達(dá)到微米量級(jí)光學(xué)吸取成像系統(tǒng)，用于直接觀測(cè)低維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)密度分布。（5）運(yùn)用帶自旋冷原子系統(tǒng)來(lái)模仿磁互換系統(tǒng)并調(diào)控其維度。研究系