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

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：2011.1至2015.8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。通过建立超冷原子、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。通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，提升我国冷原子、分子物理的整体水平并使之步入国际先进行列，为我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。通过操控外磁场，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,NaturePhysics和Phys.Rev.Lett.发表论文10篇以上，申请国家发明专利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（FrustrationPhase）与环状态(CyclicState)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，通过调节磁场强度，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。通过超辐射散射、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。通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。目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，并且受衍射极限的影响，分辨率不高，涨落比较大。希望通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，通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。常用的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，并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。通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，同时通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，从而可以原位观察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可以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，所以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。无序的种类和特征可以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型能级结构(S=1/2)与一对拉曼光形成阿贝尔规范场；还可以利用铷原子的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，并通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可以通过原子云的密度—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，所以涡旋激发实验不宜在通常的静磁阱中实施；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，还可以做为光晶格光源。（3）费米镱原子简并气体实验：通过镱原子的塞曼减速与两级激光冷却，我们已经获得温度量级的镱原子气体。进一步用波长532nm的高功率激光实现远失谐光阱（FORT），高斯光束聚焦后可以获得深度达到mK量级的光阱。蒸发冷却可以通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的蒸发冷却可以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，在足够低温度下可以获得费米—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，可以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，通过光晶格、光缔合和Feshbach共振等量子调控手段，可以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，并通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，并通过协同冷却同步降低Yb原子的温度。通过光缔合或Feshbach共