項(xiàng)目名稱(chēng)基于超冷原子分子體系的新物態(tài)和量子仿真研究首資料內(nèi)容僅供參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系本人改正或者刪除。項(xiàng)目名稱(chēng):基于超冷原子、分子體系的新物態(tài)和量子仿真研究首席科學(xué)家:劉伍明中國(guó)科學(xué)院物理研究所起止年限:.1至.8依托部門(mén):中國(guó)科學(xué)院

二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo):超冷原子、分子物理及其量子調(diào)控技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和未來(lái)高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有非常重要的地位。本項(xiàng)目緊密?chē)@量子調(diào)控的前沿領(lǐng)域,在已有的4個(gè)玻色—愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,發(fā)展新的量子調(diào)控手段和新的測(cè)量技術(shù),構(gòu)建傳統(tǒng)方式難以實(shí)現(xiàn)的幾何構(gòu)型、維數(shù)、相互作用形式以及豐富內(nèi)部自由度的可調(diào)控量子多體系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)新奇量子現(xiàn)象,研究新物態(tài)及其物理規(guī)律。經(jīng)過(guò)建立超冷原子、分子凝聚體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究外加光場(chǎng)、磁場(chǎng)等與冷原子、分子體系的相互作用以及對(duì)量子態(tài)的調(diào)控。發(fā)展精密測(cè)量的新原理和新方法,進(jìn)行量子仿真和新型量子器件研究。經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施和課題組之間的有機(jī)合作,做出在國(guó)際上有影響的原創(chuàng)性工作,培養(yǎng)一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才,提升中國(guó)冷原子、分子物理的整體水平并使之步入國(guó)際先進(jìn)行列,為中國(guó)在未來(lái)國(guó)際高新科學(xué)技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地做出重要的貢獻(xiàn)。五年預(yù)期目標(biāo):(1)建立光晶格中超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái),掌握Feshbach共振改變?cè)娱g散射長(zhǎng)度,以及光晶格的幾何結(jié)構(gòu)和維度調(diào)整的實(shí)驗(yàn)技術(shù),發(fā)展光晶格中冷原子超輻射散射、Raman散射的高靈敏探測(cè)方法,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)特性的量子調(diào)控。(2)實(shí)現(xiàn)一維光晶格中的自旋量子態(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(xiàn)態(tài)的相變機(jī)理。(3)利用現(xiàn)有BEC裝臵在光學(xué)調(diào)控自由度方面的優(yōu)勢(shì),建立國(guó)際一流的低維量子體系的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)發(fā)展超高空間分辨率的原位測(cè)量系統(tǒng),搭建空間分辨率為2微米的光學(xué)吸收成像系統(tǒng)。(4)實(shí)現(xiàn)超冷原子氣體的維度渡越,研究系統(tǒng)從無(wú)序向有序的轉(zhuǎn)變過(guò)程,元激發(fā)從spinon到magnon的演化過(guò)程。經(jīng)過(guò)操控外磁場(chǎng),觀測(cè)鐵磁系統(tǒng)中磁疇的演化,以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)的特性。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)并原子氣體的人造規(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)、新奇周期性有效磁場(chǎng)、高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù);實(shí)現(xiàn)人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并原子氣體的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)的實(shí)驗(yàn)機(jī)制;理論上掌握各種拓?fù)鋺B(tài)的數(shù)值計(jì)算方法,結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究各種拓?fù)鋺B(tài)的基本性質(zhì)。(6)基于人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并原子氣體的拓?fù)鋺B(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的量子仿真應(yīng)用;研究拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)機(jī)制及其在信息存儲(chǔ)方面的應(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)算方面的應(yīng)用。(7)建立超冷極性分子的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)混合氣體的共同冷卻、俘獲和深度冷卻,即實(shí)現(xiàn)Rb、Yb原子和Li、Cs原子的磁光阱和光偶極阱;在偶極阱中實(shí)現(xiàn)兩種組份原子氣體的共同俘獲和深度冷卻。在此基礎(chǔ)上,利用兩種原子間的超冷碰撞、光締合、Feshbach共振等特性,探索獲得超冷RbYb分子以及超冷LiCs分子的技術(shù)方法,獲得超冷極性分子。(8)揭示超冷原子分子體系的量子關(guān)聯(lián)特性,以及旋量簡(jiǎn)并氣體中的激化催化自旋混合動(dòng)力學(xué)行為和特征,發(fā)展基于原子—分子暗態(tài)的量子光存儲(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)等研究奠定基礎(chǔ)。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.)發(fā)表高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文200篇以上,其中在Nature,Science,NaturePhysics和Phys.Rev.Lett.發(fā)表論文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、百人計(jì)劃、教育部新世紀(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)目的整體學(xué)術(shù)思路是在已有的冷原子體系的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,利用新的量子調(diào)控手段和新的測(cè)量技術(shù),構(gòu)建傳統(tǒng)方式難以實(shí)現(xiàn)的光晶格幾何構(gòu)型、原子相互作用形式以及豐富內(nèi)部自由度的可調(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;突破現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù),發(fā)展新的量子調(diào)控手段,探索新型量子控制器件,如圖1所示。圖1本項(xiàng)目的整體學(xué)術(shù)思路和技術(shù)途徑具體的技術(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)。利用精密激光系統(tǒng)和超高真空裝臵得到穩(wěn)定的光學(xué)晶格系統(tǒng),建立凝聚態(tài)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。光晶格系統(tǒng)將采用850nm的紅失諧激光(原子捕獲在光強(qiáng)的極大值處),形成光晶格,研究原子的關(guān)聯(lián)和輸運(yùn)等物理性質(zhì)。我們的量子調(diào)控主要包括:(1)利用Feshbach共振改變?cè)娱g的散射長(zhǎng)度,從吸引到排斥,從弱相互作用到強(qiáng)相互作用;(2)利用激光束把原子束縛在光格子周期勢(shì)阱的谷底從而加強(qiáng)原子間的局域相互作用,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的變化;(3)調(diào)節(jié)激光波長(zhǎng),研究晶格參數(shù)對(duì)量子態(tài)的影響;(4)研究具有不同幾何結(jié)構(gòu)的光晶格冷原子系統(tǒng)中的量子態(tài)。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建阻挫相(FrustrationPhase)與環(huán)狀態(tài)(CyclicState)等國(guó)際上尚未開(kāi)展研究的奇異”物質(zhì)”。關(guān)于阻挫相我們主要利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的光強(qiáng),以改變不同方向光晶格原子之間的隧穿粒子流。我們將利用二維光晶格來(lái)模擬這種新的”物質(zhì)”狀態(tài),并研究它們的相變機(jī)理。關(guān)于環(huán)狀態(tài),我們的研究主要利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,經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度,調(diào)節(jié)原子的散射長(zhǎng)度,從而改變光晶格中原子間的相互作用。我們將利用一維光晶格來(lái)模擬這種新的量子物質(zhì)狀態(tài),并研究它們的相變機(jī)理。經(jīng)過(guò)超輻射散射、Raman散射等方法探測(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)的相互作用,尋找不同動(dòng)量散射的物理機(jī)理。經(jīng)過(guò)對(duì)光信號(hào)合作輻射放大的探測(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)前一般使用吸收成像法來(lái)計(jì)算原子的數(shù)目和溫度以及原子的空間分布,這種方法的缺點(diǎn)是破壞性探測(cè),而且受衍射極限的影響,分辨率不高,漲落比較大。希望經(jīng)過(guò)對(duì)原子散射光的探測(cè)或者用輔助泵浦光將原子激發(fā)到其它的態(tài)的熒光信號(hào),這種新的探測(cè)方式和吸收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)波的光柵、散射光波的光柵、駐波光場(chǎng)三者之間的相互作用;(2)相干物質(zhì)波和光波之間的耦合演化過(guò)程;(3)原子或者光子攜帶的信息在物質(zhì)波和光波之間相互傳遞。其次,經(jīng)過(guò)原子在紅藍(lán)失諧光晶格中的光頻移特性,以及光學(xué)晶格中由于光場(chǎng)漲落而導(dǎo)致的局域化量子態(tài)研究。2．低維簡(jiǎn)并氣體的量子磁性和無(wú)序效應(yīng)仿真平臺(tái)以及超高分辨率原位測(cè)量技術(shù)。發(fā)展超高分辨率原位成像技術(shù)。常見(jiàn)的BEC吸收成像裝臵由于光學(xué)數(shù)值孔徑的限制,成像分辨率一般在5－10微米,而且對(duì)于吸收成像技術(shù)來(lái)說(shuō)吸收率太大,無(wú)法對(duì)BEC進(jìn)行原位成像。經(jīng)過(guò)大幅度提高成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑,將BEC成像分辨率提高到1微米左右,同時(shí)經(jīng)過(guò)將原子束縛在低維系統(tǒng)中,增加BEC的尺寸,使吸收率降低到適合吸收成像的范圍,從而能夠原位觀察BEC的密度分布和漲落。與標(biāo)準(zhǔn)的飛行時(shí)間測(cè)量方法相比,原位測(cè)量大大豐富了從BEC中提取物理信息的能力,特別是對(duì)一些非周期性的量子態(tài)(如鐵磁體的磁疇)的觀測(cè)具有不可替代的意義。維度對(duì)簡(jiǎn)并量子氣體性質(zhì)的影響很大,在普通的凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)上難以得到維度可調(diào)的實(shí)驗(yàn)樣品。而在超冷原子系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)各種維度的簡(jiǎn)并量子氣體,并觀察各種系統(tǒng)性質(zhì)在維度渡越過(guò)程中的改變,因此在維度相關(guān)性質(zhì)的研究中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。無(wú)序即混亂無(wú)規(guī)則的狀態(tài)。無(wú)序的種類(lèi)和特征能夠根據(jù)光晶格被破壞的方式和程度來(lái)定義,包括臵換無(wú)序、拓?fù)錈o(wú)序等。調(diào)控帶自旋的超冷原子系統(tǒng)的延展態(tài)和局域態(tài),研究局域態(tài)和延展態(tài)之間的相變,以及它們和系統(tǒng)維數(shù)的關(guān)系,研究局域化長(zhǎng)度與平均自由程的關(guān)系。3．人造規(guī)范勢(shì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和相關(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)并氣體的人造規(guī)范勢(shì):人們已經(jīng)從理論上明確了人造規(guī)范勢(shì)的基本原理,即:利用激光場(chǎng)與原子內(nèi)態(tài)的耦合以產(chǎn)生Berry相位,而B(niǎo)erry相位導(dǎo)致隨空間變化的等效矢量勢(shì);這種空間依賴(lài)關(guān)系或者來(lái)源于激光強(qiáng)度的空間分布,或者來(lái)源于激光與原子失諧量的變化。本項(xiàng)目中,我們擬利用銣原子與鐿原子的型能級(jí)結(jié)構(gòu)(S=1/2)與一對(duì)拉曼光形成阿貝爾規(guī)范場(chǎng);還能夠利用銣原子的Tripod型能級(jí)結(jié)構(gòu)(F=1)以及三束耦合激光形成兩個(gè)簡(jiǎn)并的暗態(tài),并經(jīng)過(guò)控制激光的強(qiáng)度分布等產(chǎn)生非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)。(2)量子渦旋的形成與探測(cè):量子渦旋是由規(guī)范場(chǎng)對(duì)應(yīng)的有效磁場(chǎng)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài),其探測(cè)方法一般是用常規(guī)的吸收成像技術(shù)來(lái)記錄自由飛行之后的原子密度分布。對(duì)于一維光晶格系統(tǒng)中的渦旋陣列,原子云的密度分布可能無(wú)法反映渦旋的存在,但我們以前的理論工作表明能夠經(jīng)過(guò)原子云的密度—密度關(guān)聯(lián)提取渦旋信息。另外,制造有效磁場(chǎng)的激光耦合了原子的不同磁子能級(jí),因此渦旋激發(fā)實(shí)驗(yàn)不宜在一般的靜磁阱中實(shí)施;我們擬將銣原子BEC轉(zhuǎn)移到大失諧光阱中。波長(zhǎng)為1.06微米的大功率(10W以上)單縱模激光器可用來(lái)囚禁銣原子BEC,還能夠做為光晶格光源。(3)費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體實(shí)驗(yàn):經(jīng)過(guò)鐿原子的塞曼減速與兩級(jí)激光冷卻,我們已經(jīng)獲得溫度100K量級(jí)的鐿原子氣體。進(jìn)一步用波長(zhǎng)532nm的高功率激光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)失諧光阱(FORT),高斯光束聚焦后能夠獲得深度達(dá)到mK量級(jí)的光阱。蒸發(fā)冷卻能夠經(jīng)過(guò)逐步降低光阱深度的方法進(jìn)行,使原子云溫度降低到1K甚至更低。費(fèi)米同位素171Yb的蒸發(fā)冷卻能夠借助于兩種不同自旋組份的原子之間的s波碰撞。另一種可行方案是利用費(fèi)米同位素與玻色同位素之間的s波碰撞實(shí)施協(xié)同冷卻,在足夠低溫度下能夠獲得費(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)和交叉的周期激光,能夠?qū)崿F(xiàn)制備玻色量子霍爾態(tài)所需的高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)。對(duì)于費(fèi)米鐿原子簡(jiǎn)并氣體,利用較弱的互合躍遷(1S0-3P1)產(chǎn)生極大抑制光子散射的暗態(tài),從而得到具備量子相干性的高強(qiáng)度有效磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)分子量子霍爾態(tài)需要的高填充因子(比如5/2的填充因子);對(duì)于171Yb費(fèi)米氣體而言,超低溫下費(fèi)米子的泡利阻塞效應(yīng)極大抑制了原子碰撞效應(yīng),也有利于保持人造規(guī)范勢(shì)的相干性。4.超冷極性分子的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用超冷混合原子氣體,甚至是混合量子簡(jiǎn)并氣體,經(jīng)過(guò)光晶格、光締合和Feshbach共振等量子調(diào)控手段,能夠?qū)⒊湓踊旌蠚怏w制備成超冷極性分子,帶來(lái)與原子氣體完全不同的各向異性的長(zhǎng)程相互作用,為量子模擬提供豐富的研究體系。我們將對(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。主要從兩個(gè)方面展開(kāi):利用Rb和Yb的混合量子簡(jiǎn)并氣體進(jìn)行量子模擬。例如,利用不同的光晶格對(duì)兩種原子進(jìn)行分別控制,用Yb原子的藍(lán)光共振性作為”量子探針”對(duì)Rb的量子拓?fù)湫图ぐl(fā)進(jìn)行高分辨觀測(cè);利用Yb原子對(duì)磁場(chǎng)的不敏感的特點(diǎn),對(duì)Rb和Yb進(jìn)行分別的全局量子操作和瞬間分離,分析量子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)以前無(wú)法觀測(cè)到的瞬態(tài)現(xiàn)象。利用價(jià)電子數(shù)的差異,構(gòu)造更為復(fù)雜的可控量子系統(tǒng),對(duì)一些新奇量子現(xiàn)象進(jìn)行模擬。理論分析表明,像RbYb這樣的異核重原子混合是最有效的增強(qiáng)EDM效應(yīng)的辦法。我們將利用Rb和Yb合成超冷極性分子,研究極性分子的長(zhǎng)程相互作用及相關(guān)物性。(1)獲得Rb和Yb原子混合量子簡(jiǎn)并氣體的技術(shù)途經(jīng)如下:(i)分別建立Rb原子和Yb原子的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,并經(jīng)過(guò)四極磁阱和光偶極阱構(gòu)成的混合勢(shì)阱中實(shí)現(xiàn)BEC。用1064nm激光構(gòu)建Rb原子的光學(xué)晶格和無(wú)序光晶格,研究Rb原子BEC的量子輸運(yùn)性質(zhì)。(ii)用399nm藍(lán)色激光實(shí)現(xiàn)Yb原子的塞曼冷卻器,用556nm綠色激光實(shí)現(xiàn)Yb原子的磁光阱,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原子的同時(shí)進(jìn)行磁光阱冷卻和光偶極囚禁,并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)組份原子的混合,對(duì)Rb原子進(jìn)行蒸發(fā)冷卻,并經(jīng)過(guò)協(xié)同冷卻同步降低Yb原子的溫度。經(jīng)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)并氣體的技術(shù)途經(jīng)如下:(i)用671nm激光實(shí)現(xiàn)Li原子的塞曼減速器和磁光阱;用852nm激光實(shí)現(xiàn)Cs原子的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,經(jīng)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,然后使用相干的雙光子過(guò)程(pump-dump)形成基態(tài)的強(qiáng)綁定分子。利用外場(chǎng)調(diào)節(jié)分子分子相互作用,使得蒸發(fā)冷卻能夠進(jìn)行,從而達(dá)到較高的相空間密度,實(shí)現(xiàn)超冷分子的量子相變。(iii)將超冷分子導(dǎo)入光晶格,研究冷分子在光晶格中的相變過(guò)程與參量響應(yīng)。降低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)里的滲流相變過(guò)程。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)與特色:(1)我們的調(diào)控對(duì)象一是具有宏觀量子相干性的量子簡(jiǎn)并氣體,二是具有大極性的由超冷原子合成的新型分子。(2)新的量子調(diào)控手段,如規(guī)范勢(shì),維度控制和內(nèi)態(tài)操控等。(3)新的實(shí)驗(yàn)方法,如利用超輻射觀測(cè)量子相變,利用超高分辨率(1-2微米)的原位測(cè)量技術(shù)觀察磁疇,利用新的人造規(guī)范場(chǎng)技術(shù)研究拓?fù)鋺B(tài),制備大極性的RbYb分子等。(4)注重研究新的物理問(wèn)題。本項(xiàng)目所涉及的超冷原子系統(tǒng)的玻色量子霍爾態(tài)、阻挫量子相變、維度和磁有序的競(jìng)爭(zhēng),電偶長(zhǎng)程作用的各向異性效應(yīng)等是理論上已有一定研究,但實(shí)驗(yàn)上還有待探索的課題。(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,配合并指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。(6)多學(xué)科有機(jī)交叉。利用可控的冷原子冷分子系統(tǒng)進(jìn)行量子仿真,能夠充分研究很多在自然界系統(tǒng)中無(wú)法調(diào)控的物理量,發(fā)掘其物理規(guī)律和本質(zhì)。同時(shí)又能夠研究量子力學(xué)的基本問(wèn)題,反映出粒子的量子特性。本項(xiàng)目將原子分子物理、量子光學(xué)、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計(jì)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)目的可行性分析:(1)研究隊(duì)伍實(shí)力雄厚,學(xué)術(shù)氛圍良好。項(xiàng)目組成員都是從事冷原子分子研究的第一線(xiàn)科研人員。人員結(jié)構(gòu)合理,有院士、杰青、百人,兼顧了歷史的延續(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)前期的工作積累深厚,在部分實(shí)驗(yàn)技術(shù)上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。項(xiàng)目組成員多年來(lái)一直從事冷原子的實(shí)驗(yàn)和理論研究,進(jìn)入該領(lǐng)域的國(guó)際研究前沿。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上,我們已經(jīng)搭建了4個(gè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。我們的多項(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.上發(fā)表了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的人力、物力和財(cái)力,為本項(xiàng)目的實(shí)施打下了可靠的基礎(chǔ)。(3)理論實(shí)驗(yàn)相互促進(jìn)。我們理論工作的預(yù)言曾被國(guó)際上其它小組實(shí)驗(yàn)證實(shí)。例如,我們預(yù)言的光晶格中冷原子在能帶間的量子隧穿效應(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教授的實(shí)驗(yàn)證實(shí)[V.V.Ivanovetal.,PRL100,043602()]。我們的理論正在和我們當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。(4)各課題組聯(lián)系密切。本相目的六家研究單位已經(jīng)建立了良好的合作關(guān)系,在平時(shí)的合作中能夠做到互通有無(wú),取長(zhǎng)補(bǔ)短,相互影響,共同進(jìn)步。例如,北京大學(xué)得到了初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,邀請(qǐng)物理所的理論研究人員進(jìn)行解釋,并指導(dǎo)下一步的實(shí)驗(yàn),已經(jīng)有部分合作成果發(fā)表,較早的有:W.D.Li,X.J.Zhou,Y.Q.Wang,J.Q.Liang,W.M.Liu,Phys.Rev.A64,015602();較近的有: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)研究所也有密切的合作,有關(guān)玻色—愛(ài)因斯坦凝聚宏觀量子隧穿和集體激發(fā)的研究成果發(fā)表在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)也提供了很有益處的實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持。(5)研究的物理問(wèn)題新穎、迫切,而且近期有可能取得突破。項(xiàng)目組成員充分調(diào)研了本學(xué)科的國(guó)際研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略需要,以及自己的特色和長(zhǎng)處,并考慮到近期完成的可能性,精心制定了研究問(wèn)題。新奇量子態(tài)如玻色量子霍爾態(tài),多組份費(fèi)米子的配對(duì)態(tài)等都是量子多體理論中非常關(guān)心的科學(xué)問(wèn)題,在凝聚態(tài)物理中缺少充分有效的研究手段,冷原子系統(tǒng)由于參數(shù)可調(diào)等眾多優(yōu)點(diǎn),提供了一個(gè)很好的模擬平臺(tái)。超冷極性分子的制備和物性研究在國(guó)際上尚處于起步階段,我們希望結(jié)合我們的長(zhǎng)處,在這方面作出國(guó)際領(lǐng)先的工作。(6)研究方案具體,切實(shí)可行。本項(xiàng)目組成員多年來(lái)一直研究冷原子系統(tǒng),玻色—愛(ài)因斯坦凝聚以及原子和光的相互作用等,有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。研究路線(xiàn)經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組成員和部分研究專(zhuān)家的集中討論,仔細(xì)規(guī)劃。我們充分認(rèn)識(shí)到了在本項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)會(huì)遇到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,制定了相應(yīng)的解決方案,包括真空系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng),甚至激光的具體參數(shù)。有先進(jìn)的冷原子分子實(shí)驗(yàn)平臺(tái),新的調(diào)控手段,理論和實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合與相互促進(jìn),我們一定會(huì)在超冷原子、分子的新奇量子態(tài)和量子仿真研究方面取得突破性進(jìn)展,推動(dòng)中國(guó)冷原子物理的發(fā)展。課題設(shè)置本項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(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)目的核心科學(xué)問(wèn)題是,在超冷原子、分子以及玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,發(fā)現(xiàn)具有不同幾何結(jié)構(gòu)、維度、組份、相互作用、自旋等參數(shù)的超冷原子、分子系統(tǒng)中的新奇量子態(tài)和奇異物性,研究外場(chǎng)與超冷原子、分子體系的相互作用以及對(duì)量子態(tài)的調(diào)控機(jī)理,發(fā)展新的檢測(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的重大科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題,為冷原子、分子物理的量子調(diào)控奠定基本原理和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目分為如下四個(gè)課題:課題1:光晶格中超冷原子的關(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)的新方法;3．光晶格中超輻射與量子相變的測(cè)量;4．光晶格中超冷原子鐘躍遷頻率的精密測(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)并氣體的量子磁性和無(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)。利用我們現(xiàn)有BEC裝置在光學(xué)調(diào)控自由度方面的優(yōu)勢(shì),建立國(guó)際一流的低維可調(diào)控量子多體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。(2)發(fā)展超高空間分辨率的原位測(cè)量技術(shù),建立分辨率達(dá)到微米量級(jí)的光學(xué)吸收成像系統(tǒng),用于直接觀測(cè)低維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)的密度分布及其漲落。(3)經(jīng)過(guò)調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù),實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的維度渡越,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)的演化過(guò)程。經(jīng)過(guò)觀測(cè)超冷原子鐵磁系統(tǒng)中磁疇的演化,以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)的特性,揭示無(wú)窮階相變的序參量和標(biāo)度行為。(4)利用無(wú)序勢(shì),實(shí)現(xiàn)Anderson局域化,進(jìn)一步揭示相互作用對(duì)Anderson局域化的影響;調(diào)控延展態(tài)和局域態(tài),模擬無(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)并原子氣體的拓?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)并氣體的人造規(guī)范勢(shì);2.量子渦旋的形成與探測(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)的制備。經(jīng)費(fèi)比例:22%承擔(dān)單位:中國(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:超冷極性分子氣體的制備及其物性研究。承擔(dān)任務(wù):(1)Rb、Yb原子的共同冷卻、俘獲和混合的實(shí)驗(yàn)方法;(2)Rb、Yb原子的超冷碰撞參數(shù)測(cè)量,RbYb分子形成和進(jìn)一步冷卻的實(shí)驗(yàn)方法;(3)Li、Cs原子的共同冷卻、俘獲和混合及LiCs分子形成的實(shí)驗(yàn)方法;(4)超冷極性分子的長(zhǎng)程相互作用的調(diào)控手段。經(jīng)費(fèi)比例:24%承擔(dān)單位:中國(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、徐震各課題間相互關(guān)系這4個(gè)課題相互聯(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)重研究量子氣體的關(guān)聯(lián)效應(yīng)和相變特性。課題2利用光晶格的技術(shù),同時(shí)發(fā)展高分辨率的原位測(cè)量技術(shù),側(cè)重研究低維系統(tǒng)中超冷原子、分子的磁性和無(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則經(jīng)過(guò)產(chǎn)生人造規(guī)范場(chǎng)這一全新的調(diào)控手段,研究簡(jiǎn)并原子氣體的拓?fù)淞孔討B(tài)等新奇物性。對(duì)這些拓?fù)鋺B(tài)的探測(cè)會(huì)充分利用課題1和2發(fā)展的超輻射和原位測(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)展成熟以后,能夠進(jìn)一步和課題1,2發(fā)展的光晶格結(jié)合起來(lái),開(kāi)辟冷原子物理研究的新方向。課題4側(cè)重于經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)并量子混合氣體的制備,產(chǎn)生超冷極性分子。這一研究將發(fā)展光締合等新的調(diào)控技術(shù),其前期的簡(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。總而言之,課題1-4將實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、方法、成果的資源共享和相互補(bǔ)充,經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的密切合作,從不同的角度研究超冷原子、分子中的新奇量子態(tài)。本項(xiàng)目的課題設(shè)臵思路如圖2表示:圖2.本項(xiàng)目的課題設(shè)臵思路和各課題相互關(guān)系示意圖

四、年度計(jì)劃年度研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)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)展新的方法對(duì)其進(jìn)行量子調(diào)控,主要包括:利用激光把原子束縛在光格子周期勢(shì)阱的谷底從而加強(qiáng)原子間的局域相互作用,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的變化;調(diào)節(jié)不同的激光波長(zhǎng),研究晶格參數(shù)對(duì)量子態(tài)的影響。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)序光晶格中的輸運(yùn)性質(zhì)。升級(jí)現(xiàn)有Rb原子BEC裝置,利用轉(zhuǎn)移線(xiàn)圈將BEC的中心轉(zhuǎn)移到距離磁光阱中心5厘米的下方。購(gòu)置或自制實(shí)現(xiàn)人造規(guī)范勢(shì)相關(guān)的激光器、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)米同位素的亞多普勒冷卻技術(shù)。研究銣原子BEC到1064nm遠(yuǎn)失諧光阱(FORT)的裝載過(guò)程以及冷原子云在FORT中的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。(3)設(shè)計(jì)銣鐿混合的真空系統(tǒng),訂購(gòu)所需的真空、光學(xué)等元件。(4)理論研究周期性人造規(guī)范勢(shì)的新方案。研究產(chǎn)生人造規(guī)范勢(shì)的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)方案,包括光學(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)因斯坦凝聚的國(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)的第一分會(huì)—量子氣體、流體和固體(QuantumGases,FluidsandSolids)。低溫物理國(guó)際會(huì)議是包括原子及分子物理的一個(gè)重要的學(xué)術(shù)會(huì)議。冷原子和量子仿真的此次會(huì)議的核心內(nèi)容。我們經(jīng)過(guò)前一期的973項(xiàng)目的資助,已經(jīng)做出在國(guó)際上有影響的原創(chuàng)性工作,培養(yǎng)一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才,提升中國(guó)冷原子、分子物理的整體水平并使之步入國(guó)際先進(jìn)行列?？墒菫榱吮３种袊?guó)在未來(lái)國(guó)際高新科學(xué)技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地,我們需要與國(guó)際的同行保持高效的溝通。經(jīng)過(guò)籌備這次會(huì)議,我們將在擴(kuò)大本項(xiàng)目成果的知名度的同時(shí),與國(guó)際同行進(jìn)行更深入的交流和合作。(1)經(jīng)過(guò)控制冷原子系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、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)程的新方法。實(shí)驗(yàn)上使裝置在10個(gè)方向都能夠安排調(diào)控激光光束。完成相關(guān)光學(xué)和電子儀器的購(gòu)置。(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的裝載和光阱中的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。(3)實(shí)現(xiàn)磁光混合型的BEC產(chǎn)生裝置。(4)掌握人造規(guī)范勢(shì)中BEC動(dòng)力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法。確定關(guān)于銣原子BEC的人造規(guī)范勢(shì)的具體實(shí)驗(yàn)方案。(5)加強(qiáng)國(guó)際冷原子物理的交流和合作,擴(kuò)大我們?cè)诒臼掠虻难芯砍晒挠绊懥?。第二?1)利用Feshbach共振改變光學(xué)晶格中中原子間的散射長(zhǎng)度從而調(diào)節(jié)原子間的耦合強(qiáng)度,從吸引到排斥,從弱相互作用到強(qiáng)相互作用。經(jīng)過(guò)研究光晶格中超冷原子的超輻射散射發(fā)展光晶格中冷原子特性的新探測(cè)方法:包括改變光晶格的強(qiáng)度、維度、周期;泵浦脈沖光的長(zhǎng)短、強(qiáng)度、入射角度;冷原子的超流態(tài)、粒子數(shù)態(tài)、部分相干態(tài)的量子狀態(tài),研究不同量子態(tài)與光場(chǎng)相互作用的新效應(yīng)。利用二維光晶格系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的緊束縛,要求原子的溫度遠(yuǎn)小于晶格的徑向束縛對(duì)應(yīng)的溫度。原子系統(tǒng)具有足夠的相干時(shí)間。同時(shí)發(fā)展超高空間分辨率的原位測(cè)量系統(tǒng),搭建空間分辨率為2微米的光學(xué)吸收成像系統(tǒng)。研究FORT光阱中銣原子BEC的電磁感應(yīng)透明(EIT)現(xiàn)象。仿真Hubbard模型。(2)研究鐿原子到交叉光阱中的轉(zhuǎn)移以及交叉光阱中鐿原子的蒸發(fā)冷卻;研究如何提高光阱中BEC的壽命與光阱參數(shù)的關(guān)系。(3)構(gòu)建銣鐿混合的真空系統(tǒng),用780nm激光和399nm、556nm激光產(chǎn)生Rb原子和Yb原子的磁光阱,用1064nm單模激光實(shí)現(xiàn)Rb原子的光偶極阱,并獲得Rb原子的BEC。(4)理論研究非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的形成機(jī)理及相關(guān)的磁單極子的量子動(dòng)力學(xué)。理論上研究暗態(tài)的建立與維持機(jī)制,尋求提高暗態(tài)壽命的新思路。(1)掌握調(diào)控原子間相互作用的新方法,利用超輻射散射方式,探索物質(zhì)波、光晶格、合作輻射的散射光這三者之間的關(guān)系,提供測(cè)量光晶格系統(tǒng)中冷原子各種奇異態(tài)量子相的新探測(cè)方法。要求原子的溫度遠(yuǎn)小于晶格的徑向束縛對(duì)應(yīng)的溫度。原子系統(tǒng)具有足夠的相干時(shí)間。空間分辨率為2微米。利用激光與銣原子Λ型能級(jí)產(chǎn)生暗態(tài)并觀察到BEC的EIT現(xiàn)象;結(jié)合理論研究,發(fā)現(xiàn)降低光子散射以延長(zhǎng)暗態(tài)壽命的新思路。實(shí)現(xiàn)Hubbard模型的仿真。(2)實(shí)現(xiàn)鐿原子的交叉光阱裝載,經(jīng)過(guò)蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)鐿原子玻色同位素的BEC。銣原子BEC在FORT光阱中的壽命達(dá)到100ms。在新系統(tǒng)上分別實(shí)現(xiàn)銣原子的BEC以及鐿原子的磁光阱。(3)形成分別得鋰和銫的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的可觀測(cè)效應(yīng)以及產(chǎn)生方案。明確非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的形成機(jī)理及相關(guān)的磁單極子的量子動(dòng)力學(xué)。提出提高暗態(tài)壽命的新思路。第三年(1)研究一維光晶格中的Rb原子自旋(SpinorGases)氣體相變的物理機(jī)理。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度、原子的散射長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)凝聚體從環(huán)狀到鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)的相變。利用徑向約束調(diào)節(jié)原子的等效相互作用,研究系統(tǒng)特性從三維過(guò)渡到一維時(shí)的變化。利用毛玻璃產(chǎn)生無(wú)序勢(shì),研究準(zhǔn)一維量子氣體的Anderson局域化特性。調(diào)控延展態(tài)、局域態(tài)、玻色玻璃態(tài)。基于光阱囚禁的Rb原子BEC,研究基于暗態(tài)機(jī)制的人造規(guī)范勢(shì)及其對(duì)應(yīng)的有效磁場(chǎng)。研究高強(qiáng)度有效磁場(chǎng)的獲得。(2)研究鐿原子玻色-費(fèi)米混合氣體的裝載以及光阱中的協(xié)同冷卻。(3)完成銣鐿混合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)銣鐿原子的共同冷卻和俘獲,用1064nm單模激光實(shí)現(xiàn)Rb原子和Yb原子的共同光偶極阱和光晶格。研究RbYb原子的超冷碰撞性質(zhì)。包括散射長(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共振的激光器。(4)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合分析人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并氣體的渦旋態(tài)的產(chǎn)生機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。(5)與量子調(diào)控相關(guān)的冷原子物理機(jī)制和控制技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和未來(lái)高新技術(shù)的發(fā)展,將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有極為重要的地位。本項(xiàng)目緊緊圍繞量子調(diào)控的前沿領(lǐng)域,經(jīng)過(guò)建立冷原子、分子以及簡(jiǎn)并量子氣體凝聚體的實(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、分子體系的相互作用以及量子態(tài)的變化,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相關(guān)物理量的精密測(cè)量。本項(xiàng)目已取得的研究成果已經(jīng)在國(guó)際上獲得了一席之地,但在新型量子器件的研究相對(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)際同行間的相互探討。因此,課題一的承擔(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)的相變,以及不同有序態(tài)、不同序參量耦合下的量子行為和量子相變,實(shí)現(xiàn)量子仿真。探索維度渡越時(shí)出現(xiàn)的量子相比和新奇量子態(tài)。利用有效磁場(chǎng)在銣原子BEC中激發(fā)渦旋態(tài)。(2)實(shí)驗(yàn)上完成同化冷卻的優(yōu)化,獲得超冷Yb原子費(fèi)米氣體。(3)實(shí)現(xiàn)銣鐿原子的混合和囚禁,測(cè)量Rb-Yb原子間(包括各種費(fèi)米和玻色子的同位素)的碰撞特性和相互作用參數(shù),研究原子間的超冷碰撞、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)。利用Feshbach共振使得Li,Cs原子形成分子,然后使用相干的雙光子過(guò)程(pump-dump)形成基態(tài)的強(qiáng)綁定分子。(4)明確人造規(guī)范勢(shì)中簡(jiǎn)并氣體的渦旋態(tài)的產(chǎn)生機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。(5)促進(jìn)國(guó)際同行學(xué)術(shù)交流和合作。第四年(1)研究二維光晶格中的Rb冷原子阻挫態(tài)的物理機(jī)理。獲得二維光晶格玻色氣體,經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)不同方向光晶格激光的光強(qiáng),改變不同方向光晶格超冷原子之間的隧穿粒子流,觀察凝聚體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài)、共線(xiàn)態(tài)的相變,并研究它們的相變機(jī)理。利用強(qiáng)光學(xué)束縛勢(shì)搭建準(zhǔn)二維系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的緊束縛,要求原子的溫度遠(yuǎn)小于層間的束縛對(duì)應(yīng)的溫度。原子系統(tǒng)具有足夠的相干時(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的量子相干和動(dòng)力學(xué)行為,經(jīng)過(guò)一階或二階相干來(lái)進(jìn)一步研究量子相干。(2)研究鐿原子的特殊基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)生人造規(guī)范勢(shì)的影響;購(gòu)臵或自制實(shí)驗(yàn)需要的光學(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的相變和進(jìn)行量子仿真方面的實(shí)驗(yàn)。(4)理論研究簡(jiǎn)并銣原子氣體在人造規(guī)范場(chǎng)作用下的玻色量子霍爾態(tài);研究簡(jiǎn)并Yb費(fèi)米氣體的量子霍爾態(tài)和分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。理論研究超冷分子化學(xué)反應(yīng)RbYb+RbYb->Rb2+Yb2過(guò)程中的碰撞動(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)展的一個(gè)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外和海峽兩岸有很多科學(xué)家在研究。我們經(jīng)過(guò)前一期的973項(xiàng)目的資助,已經(jīng)做出在國(guó)際上有影響的原創(chuàng)性工作,培養(yǎng)一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才,提升中國(guó)冷原子、分子物理的整體水平并使之步入國(guó)際先進(jìn)行列。我們已經(jīng)成為該會(huì)議的主要參加者和骨干力量?？墒?為了保持本項(xiàng)目在未來(lái)國(guó)際高新科學(xué)技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地。為了溝通海峽兩岸的科學(xué)家,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),形成高效的合作方式,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。此次會(huì)議將匯集臺(tái)灣、內(nèi)地和國(guó)外的一批專(zhuān)家與學(xué)者來(lái)探討該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)向,特別是十二五期間該科學(xué)計(jì)劃的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,為有效地推動(dòng)該領(lǐng)域的學(xué)科發(fā)展,實(shí)現(xiàn)國(guó)家中長(zhǎng)期科技規(guī)劃擬定的目標(biāo)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(xiàn)態(tài)的相變。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)相互作用的新效應(yīng)。要求原子的溫度遠(yuǎn)小于層間的束縛對(duì)應(yīng)的溫度。原子系統(tǒng)具有足夠的相干時(shí)間。發(fā)現(xiàn)人造規(guī)范勢(shì)作用下一維光晶格系統(tǒng)的新奇量子相干和動(dòng)力學(xué)行為。(2)根據(jù)細(xì)化后的針對(duì)費(fèi)米Yb原子的人造規(guī)范勢(shì)方案,完成相關(guān)的光學(xué)與電子器件的準(zhǔn)備。揭示超冷混合原子的凝聚效應(yīng)和奇異物性。(3)研究強(qiáng)綁定分子的蒸發(fā)冷卻,從而達(dá)到較高的相空間密度,實(shí)現(xiàn)超冷分子的量子相變。(4)從量子多體角度明確銣原子BEC在人造規(guī)范場(chǎng)作用下的玻色量子霍爾態(tài)。提出超冷化學(xué)新機(jī)制。(5)促進(jìn)國(guó)際同行學(xué)術(shù)交流、合作,了解國(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原子感受到的光頻移。測(cè)量和計(jì)算不同失諧的光晶格、原子的不同溫度和分布、原子間的相互作用、光場(chǎng)的空間分布對(duì)原子光頻移的影響以及光譜信號(hào)的改變。利用微波和光晶格囚禁超冷銣原子進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間相互作用,獲得超窄線(xiàn)寬的參考譜線(xiàn)。研究外界剩余磁場(chǎng)、微波功率、原子的量子態(tài)、光晶格勢(shì)壘等外部環(huán)境對(duì)該參考譜線(xiàn)和原子鐘穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度的影響。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)序向有序的轉(zhuǎn)變過(guò)程。經(jīng)過(guò)操控外磁場(chǎng),觀測(cè)鐵磁系統(tǒng)中磁疇的演化,以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)的特性。研究簡(jiǎn)并銣原子氣體在人造規(guī)范場(chǎng)作用下的玻色量子霍爾態(tài)。(2)研究簡(jiǎn)并Yb原子費(fèi)米氣體的量子霍爾態(tài)和分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。(3)研究Rb原子和Yb原子形成分子的實(shí)驗(yàn)方法。(4)理論研究非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)及相關(guān)的磁單極子的量子動(dòng)力學(xué);研究簡(jiǎn)并原子氣體中拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)方案、量子動(dòng)力學(xué)和可觀察效應(yīng);結(jié)合已完成的研究?jī)?nèi)容,就拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用等方面進(jìn)行研究;結(jié)合新的科學(xué)前沿問(wèn)題,進(jìn)一步理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合探索量子多體仿真。(1)經(jīng)過(guò)分析外場(chǎng)對(duì)光晶格中冷原子鐘躍遷譜線(xiàn)的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)鐘躍遷頻率的精密測(cè)量,并加深對(duì)其中物理機(jī)制的深入理解。經(jīng)過(guò)操控外磁場(chǎng),觀測(cè)鐵磁系統(tǒng)中磁疇的演化,以及渦旋等拓?fù)湓ぐl(fā)的特性。探索簡(jiǎn)并銣原子氣體在人造規(guī)范場(chǎng)作用下的玻色量子霍爾態(tài)。(2)實(shí)現(xiàn)Yb費(fèi)米氣體的人造規(guī)范場(chǎng);明確超冷費(fèi)米氣體中量子霍爾態(tài)的基本性質(zhì)。(3)探索獲得超冷RbYb分子的技術(shù)方法,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,偶極相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,為進(jìn)一步基于新型分子的量子仿真和精密測(cè)量搭建初步實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。從而建立基于超冷分子的量子仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為極性分子動(dòng)力學(xué)、超冷化學(xué)等研究奠定基礎(chǔ)。操控超冷分子,結(jié)合光晶格研究冷分子作為量子計(jì)算單元的可能。(4)明確簡(jiǎn)并原子氣體中磁單極子的新奇現(xiàn)象;明確簡(jiǎn)并原子氣體中拓?fù)浣^緣體的量子動(dòng)力學(xué)行為;明確集體性超冷化學(xué)反應(yīng)中的多通道超選擇(Super-selective)定則與量子尺寸效應(yīng)等新效應(yīng)。(5)完成項(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)建立的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)的重大需求,圍繞多體關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的量子態(tài)和奇異物性這一研究中心,在具有不同特色又緊密相連的4個(gè)超冷原子、分子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,研究光晶格中的量子關(guān)聯(lián)效應(yīng),低維系統(tǒng)的量子磁性,人造規(guī)范場(chǎng)中的玻色量子霍爾態(tài)的新奇量子現(xiàn)象和物理機(jī)理,極性分子系統(tǒng)的長(zhǎng)程偶極相互作用的物理效應(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)辟嶄新的研究方向。經(jīng)過(guò)集中研究具有宏觀量子相干性的超冷原子、分子系統(tǒng),特別是該系統(tǒng)中新量子態(tài)的制備、物性和操控,本項(xiàng)目擬解決的核心科學(xué)問(wèn)題是探索超冷原子、分子系統(tǒng)中的新奇物質(zhì)態(tài)及其物理規(guī)律。為此,我們需要利用冷原子系統(tǒng)調(diào)控手段的靈活性,操控該量子多體系統(tǒng)的幾何構(gòu)型、維數(shù)、相互作用和內(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)控方式和新的測(cè)量方法如超高空間分辨率的原位測(cè)量、高靈敏超輻射散射譜。我們結(jié)合已有的4個(gè)超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各自的特色和前期工作基礎(chǔ),從不同角度切入該核心科學(xué)問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容:1．光晶格中超冷原子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)與量子相變。(1)經(jīng)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)的影響;研究具有不同幾何結(jié)構(gòu)的光晶格中的冷原子系統(tǒng)的量子態(tài)。(2)研究自旋氣體(SpinorGases)的相變機(jī)理,仿真Hubbard模型;經(jīng)過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度,調(diào)節(jié)光晶格中原子間的散射長(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)的相變。(3)研究二維光晶格中的阻挫態(tài)的物理機(jī)理;經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)不同方向光晶格激光的光強(qiáng),形成不同方向光晶格原子之間的不同隧穿粒子流,觀察凝聚體從奈爾態(tài)到自旋液體態(tài),以及到共線(xiàn)態(tài)的轉(zhuǎn)變,并研究它們的相變機(jī)理。(4)探索利用超輻射散射、Raman散射等方法探測(cè)光晶格中各種奇異物態(tài)相變的新方法。經(jīng)過(guò)對(duì)光信號(hào)合作輻射放大的探測(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,研究光晶格中原子的光頻移和碰撞頻移。2．簡(jiǎn)并原子氣體的量子磁性和無(wú)序性質(zhì)。(1)在已有的玻色—愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)裝臵上搭建二維光晶格,經(jīng)過(guò)強(qiáng)徑向束縛,使得原子的能量遠(yuǎn)低于對(duì)應(yīng)的能級(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)原子的等效相互作用。(3)利用兩束交叉強(qiáng)激光光束形成緊束縛的一維周期勢(shì),或者利用柱透鏡實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈匯聚的柱狀高斯光束,搭建準(zhǔn)二維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)。(4)發(fā)展超高空間分辨率的原位測(cè)量技術(shù),選擇合適的低維系統(tǒng)幾何參數(shù),把BEC調(diào)節(jié)到適合光學(xué)成像的尺寸,搭建分辨率達(dá)到微米量級(jí)的光學(xué)吸收成像系統(tǒng),用于直接觀測(cè)低維量子簡(jiǎn)并系統(tǒng)的密度分布。(5)利用帶自旋的冷原子系統(tǒng)來(lái)模擬磁交換系統(tǒng)并調(diào)控其維度。研究系統(tǒng)從一維到二維乃至三維渡越時(shí),系統(tǒng)從無(wú)序到有序的轉(zhuǎn)變過(guò)程,元激發(fā)從spinon到