超冷费米气体中光学操控Feshbach共振和观察拓扑Floquet能带

发布时间：2020-06-20 11:59

【摘要】：近年来,随着实验技术的进步,超冷原子系统已经成为一个强大的平台,为我们探究更多有趣新奇的量子现象提供的了强有力的支撑。其中一个研究热点就是利用人造自旋轨道耦合的超冷原子系统来模拟研凝聚态物理中许多有趣的物理现象,比如自旋霍尔效应、拓朴绝缘体、拓朴超导体以及Majorana费米子等。另个研究热点是Feshbach共振,科学家可以通过改变磁场来调节原子的之间的相互作用强度或者利用光场来操控Feshbach共振,这些技术为研究强相互作用的简并气体提供了基础保障。下面将对本文的主要内容做一个概要:首先,我们测量了自旋轨道耦合中两个关键性质:自旋轨道耦合的强度以及不同相位噪声激光束对~(87)Rb BEC寿命的影响。我们测量了拉曼光偏振对超冷玻色费米气体自旋轨道耦合强度的影响。我们选用~(40)K的|F=9/2,8)=3/2?和|F=9/2,8)=1/2?自旋态来进行测量。我们还测量了不同相位噪声的的远失谐激光对~(87)Rb BEC寿命的影响。作为对比,我们分别利用钛宝石激光器、外腔半导体激光器以及相位锁定的外腔半导体激光器来进行测量。我们选择|F=2,8)=2?和|F=1,8)=1?两个自旋态来进行实验。为了降低外腔半导体激光器的相位噪声,我们利用光学锁相环将外腔半导体激光器锁定到钛宝石激光器。我们研究了~(40)K费米气体的自旋交换碰撞。二次的塞曼偏移,原子云的势阱和温度都会影响到自旋交换动力学。我们从三个方面(外部梯度磁场、光阱阱深以及温度)探究了超冷费米子的自旋交换作用。而且,通过选取不同的初始自旋态从而改变了自旋交换相互作用。我们的工作展示了超冷费米气体中自旋交换导致的自旋态平衡过程。我们利用光场耦合束缚态分子来改变闭通道分子态的能量,实现了光场操控p波Feshbach共振。p波的Feshbach共振点与光场失谐的关系可以用一个简单的公式来描述,且该公式仅有一个参数。我们工作最关键的结果就是验证了m=0分量的耦合参数与m=±1分量的耦合参数之比是普适性的。同时我们通过选择合适的光场失谐,实现了将s波Feshbach共振先点与p波Feshbach共振点的重合。我们直接测量了在周期性驱动的自旋轨道耦合的超冷费米气体中Floquet能带色散。利用自旋注入射频谱,通过快速的调制拉曼光的频率,我们观察到了二维自旋轨道耦合的狄拉克点会交替出现在能量较小两个能带或者能量较大的两个能带。这个结果说明我们实现了Floquet能带的拓扑改变。我们的工作为研究基础的Floquet物理以及构造新奇拓扑量子物质提供了一个强有力工具。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469
【图文】：

分子激发态,近共振,激光,基态

Feshbach 共振[26-32]，如图 1.1 所示。在超冷原子中利用激光来改变 s 波的散射长度要比磁场 Feshbach 共振更加灵活。因为我们可以任意的调节光的空间形态，同时我们还可以快速的改变激光的功率、波长以及模式。由于这些特性，我们可以将应用拓展到很多方面，例如：黑洞的模拟[33,34]、控制孤立子的产生[35]、研究 BEC 的塌缩[36]等。另外一个有趣的应用就是我们可以利用激光来操控不同混合态原子的散射长度，这样我们通过改变激光的成分，从而独立的调控多个散射长度。这样来看，光学Feshbach 共振可调控的参数要远远多于磁场 Feshbach 共振。

色散图,自旋轨道耦合,相对相位,自旋

能量-动量色散图。（d）（f）是将（c）（e）图中低能态部分的放大。自旋轨道耦合是近年来一个很热的研究课题。自旋轨道耦合描述的是量子粒子中自旋和动量的相互作用，是物理系统中普遍存在的一个物理现象。在凝聚态物理中，自旋轨道耦合发挥着极其重要的作用，例如：自旋霍尔效应[42-43]、拓扑绝缘态[44-46]、拓扑超导体[47]、Majorana 费米子[48]、自旋电子学[49]、量子计算[50]等。由于超冷原子系统的高度可控性，为科学家提供了一个完美的平台来研究自旋轨道耦合。在固态材料中，自旋轨道耦合来源于电子在原子本身固有电场中的运动，其属性已经由给定的材料所决定，不可调控。而对于超冷原子系统，“材料的参数”是可以调控配置的，科学家可以根据需求，通过改变光场的参数配置，从而人为的调控自旋轨道耦合。

【参考文献】