冷原子及虚拟光学系统中拓扑物理的模拟及研究

发布时间：2020-08-09 02:40

【摘要】：数十年内,拓扑物理成为了研究的热点。从早期的量子霍尔效应到反常量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、自旋量子霍尔效应,出现了不受介质、杂质、缺陷、热扰动影响的量子化平台效应。最早,人们通过TKNN拓扑数将此量子化平台效应与拓扑联系起来。随后,人们又提出了更多新奇的拓扑效应,如拓扑绝缘体、拓扑超导、拓扑保护的Weyl费米子、Majorana费米子。他们共有的特性是扰动对他们的拓扑性质不会产生影响。拓扑效应是系统波函数的整体效应。另一方面,拓扑非平庸材料与拓扑平庸材料的接触面会出现受拓扑保护的零能边缘态。因为拓扑改变必然有能隙闭合,而在接触面上发生了拓扑改变,必然存在能隙闭合对应的边缘态,即零能边缘态。同时,零能边缘态是拓扑效应的本质特征,大部分拓扑效应可以通过零能边缘态进行解释。例如,量子霍尔效应和反常量子霍尔效应系统的零能边缘态可以解释霍尔电导的平台。边缘态是手征的,具有导电特性。当系统加入电场后,电场激发边缘态,产生电荷流动。既然边缘态的个数由拓扑量子数完全确定,且边缘态不受系统扰动影响,那么其引起的电导性质是平台化的。人们不仅在电子气体中实现了拓扑效应,也在其他体系中实现之,包括冷原子系统和光学腔系统。冷原子和光学腔系统有其各自的特点。例如,冷原子系统可以使用Feshbach共振自由调控原子间相互作用,可以使用光晶格生成晶格系统和低维系统,可以使用Raman光诱导跃迁生成自旋轨道耦合和人工磁场。而光学腔系统可以使用线性光学器件任意调节光场的相位和空间分布,以实现任意的耦合。这使得每种体系实现的拓扑非平庸态都具有其特点。我们的工作是在其中实现拓扑量子系统。我们研究了准一维超冷类碱土族原子的人工自旋轨道耦合效应。此系统可通过轨道Feshbach共振调节原子间相互作用。自旋轨道耦合与轨道Feshbach共振引起的配对物理将相互影响,从而形成有趣的拓扑Fulde-Ferrell态。其中非平庸的拓扑态只耦合在闭通道上,而开通道上的态始终是拓扑平庸的。我们通过Zak相位和边缘态确认了此拓扑性质。同时,我们确认了原子的动量空间分布可以区分拓扑Fulde-Ferrell态,而动量分布可以通过时间飞行成像实现。同时,我们研究了简并共振光学腔下的拓扑效应。之前,人们提出了使用光的轨道角动量作为人工自由度以实现晶格模型的一个维度,可以使用一维简并光学腔实现二维量子模型或使用单个简并腔实现一维量子模型。我们构建了一套框架,使用单个简并腔实现任意晶格模型。在这个框架中,轨道角动量自由度中的短程和长程跃迁分别实现了晶格系统中不同维度方向上的跃迁;光束转动器实现了内部自由度依赖的跃迁;并通过多个辅助腔的组合实现了任意内部自由度依赖的跃迁振幅。在此基础上,我们实现了四维时间反演不变的拓扑量子系统,并通过测量陈数和边界态Weyl点手征性验证了体系的拓扑性。此工作为之后的晶格模型研究提供了一个理想的平台,可以实现任意晶格体系。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469
【图文】：

±１）。其分别表示不存在对称性（０）、存在对称性且Ｕｉｒ＝±ｕ邋Ｓ是对称逡逑性分类的一一对应，ＡＩ，ＢＤＩ，．．．，ＣＩ是对称性分类名称。此图源自于［１］。逡逑表１．２实对称拓扑分类周期表。其中ｓ是对称性分类参数，如图１．１可见。Ｓ邋＝邋ｄ邋－邋Ｄ是拓逡逑扑维度。ｄ是系统的空间维度，Ｄ邋＋邋１是拓扑缺陷的余维度。Ｚｉ１１和Ｚｊ２）分别是第逡逑一子序和第二子序。此表源自于［１］逡逑ｓ－５逦０１逦２３４５６７逡逑Ｋ（ｓ．，ｄ，Ｄ）邋Ｚ邋ｚ0）邋ｚ（２）逦０邋２Ｚ邋０逦０逦０逡逑３．

Ｅ±＝±Ｖｅ？２邋＋邋ｌＡｌ２．逦（１－５５）逡逑如图１．２所示，当｜Ａ｜＃０时，系统存在能隙。不同于绝缘体，超导的激发态是粒逡逑子和空穴混合得到的准粒子。通过对角化ＨＢｄｆＪ（ｐ，Ａ），准粒子的产生算符分别是逡逑Ｙ＋，ｐｔ逦＝逦ｅｉ０／２ｓｉｎａｐｃｊｔ邋＋邋ｅ－ｉ６／２ｃｏｓａｐｃ＿ｐｉ，逦（１．５６）逡逑Ｙ＋ｉＰｉ逦＝逦－ｅ＾ｓｉｎａｐｃ＾邋＋邋ｅ－＾ｃｏｓａｐｃ－ｐｔ，逦（１．５７）逡逑ｙＬｉＰｔ逦＝逦ｅ＾ｓｉｎＰｐＣ＾邋＋邋ｅ－＾＾ｃｏｓｐｐＣ－ｐ；，逦（１．５８）逡逑７－，＝邋－ｅｉ０／２邋ｓｉｎ邋ＰｐＣ＾邋＋邋ｅ－ｉ０／２邋ｃｏｓ邋３ｐＣ＿ｐｔ，逦（１．５９）逡逑其中是能量Ｅ±、动量ｐ、自旋ｃｒ准粒子的产生算符，其中Ａ邋＝邋｜Ａ｜ｅｉ０，且逡逑ｅ邋（ｐ）邋＋邋Ｊｅ邋（ｐ）２邋＋邋｜Ａ｜２逡逑ｔａｎａｐ邋＝邋逦＾逦，逦（１．６０）逡逑一邋ｅ邋（Ｐ）邋－邋＼／ｅ邋（Ｐ）２邋＋邋ｌＡｌ２逦

ＨＢｄＧ邋＝邋ｆ逦Ｖ逦（１－６５）逡逑Ｖ邋Ａ邋ｐ邋－＆作邋／逡逑其中屮ｐ邋＝邋（邋ｃｐ邋ｃｔｐ邋）Ｔ。哈密顿量有两条能带Ｅ±邋＝邋士ｙｅ（Ｐ）２邋＋邋｜Ａ｜Ｖ，其中逡逑ｅ（Ｐ）＝Ｐ２／２ｍ—ｗ能谱如图１．３所示。其能量区间可以根据化学势分为两个区逡逑间ｐ邋＞邋０和＾邋＜邋０。在化学势Ｈ邋＞邋０且没有ｐ波配对项时，系统为金属相。当逡逑增加Ｐ波配对项后，系统出现依赖于动量的ＢＣＳ超导配对。在化学式ｈ邋＜邋0且逡逑没有配对项时，系统为绝缘体（系统的费米面处于能隙中间）。当增加配对项后，逡逑系统没有ＢＣＳ配对（费米面附近没有低能费米子激发）。逡逑系统存在拓扑超导相。我们将分两步讨论系统的拓扑超导相，包括证明存在逡逑拓扑相，和找到拓扑超导相。首先，当ｍ－＞ｏｏ时，ＨＢｄＧ将变为一个有质量的逡逑Ｄｉｒａｃ邋方程，ＨＢｄＧ（ｐ）邋＝邋（ＲｅＡ）ｐｃｒｘ—（ＩｍＡ）ｐｃｒｘ—｜ｘｃｔｚ。既然系统只有一个超导序参逡逑量Ａ，我们可以通过全局规范变换使Ａ变为实数。那么ＨＢｄＧ（ｐ）邋＝｜

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 施俊如;王心亮;管勇;阮军;刘丹丹;白杨;杨帆;张辉;余凤翔;范思晨;张首刚;;一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法[J];物理学报;2019年19期

2 于笑潇;杨涛;王兵;吴根;;冷原子与冷分子研究现状与趋势[J];科技中国;2018年11期

3 冯磊;;超冷原子实验验证量子相变的时空对称性[J];物理;2017年03期

4 刘春保;;冷原子导航授时技术[J];卫星应用;2015年04期

5 高峰;;误差最小的钟表——空间冷原子钟[J];中学生数理化(高二);2016年12期

6 高峰;;误差最小的钟表[J];阅读;2017年Z6期

7 高峰;;3000万年,它才会走错1秒钟[J];科学大众(中学生);2017年Z1期

8 文文;;美计划在空间站研究超冷原子[J];科学大观园;2017年08期

9 王旭成;成华东;肖玲;郑本昌;孟艳玲;刘亮;;一种新的测量大尺度冷原子团温度的方法[J];光学学报;2012年08期

10 吕德胜;刘亮;王育竹;;空间冷原子钟及其科学应用[J];载人航天;2011年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张岩;吴金辉;;超冷原子中双通道静态光信号的相干制备与动态控制[A];第九届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集[C];2011年

2 朱诗亮;;基于冷原子的量子模拟[A];第十五届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2012年

3 许忻平;陈东元;张海潮;王育竹;;磁阱中冷原子的非绝热转移及射频导引的实验研究[A];第十四届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2010年

4 罗有华;李明哲;王育竹;;载流金属网格中冷原子的动力学行为[A];第十届全国量子光学学术报告会论文论文集[C];2002年

5 纪宪明;印建平;;实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学双阱及其光学晶格[A];第十一届全国量子光学学术会议论文摘要集[C];2004年

6 周小计;熊炜;刘新星;乐旭广;陈徐宗;;驻波脉冲对超冷原子的相干操控[A];第十六届全国原子与分子物理学术会议论文摘要集[C];2011年

7 陆俊发;纪宪明;印建平;;囚禁冷原子或冷分子的可控制光学八阱及其光学晶格[A];第十二届全国量子光学学术会议论文摘要集[C];2006年

8 李义民;付军贤;陈徐宗;杨东海;王义遒;;铯冷原子吸收谱的实验观察[A];第八届全国量子光学学术报告会论文摘要选[C];1998年

9 刘伍明;;冷原子物理研究进展[A];第十五届全国原子与分子物理学术会议论文摘要集[C];2009年

10 杨红;杨柳;王晓畅;吴金辉;;冷原子系统中的四波混频增益和分布反馈激光[A];第十五届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 董颖 本报记者 王春;太空冷原子钟让世界更“准时”[N];科技日报;2018年

2 记者 杨保国;科学家实现冷原子的多节点量子存储网络[N];中国科学报;2019年

3 记者 唐凤;中科院光学精密机械所 研制出能在太空运行的冷原子钟[N];中国科学报;2018年

4 记者 齐芳;我国首次实现冷原子钟太空稳定运行[N];光明日报;2018年

5 记者 黄海华;3000万年误差小于一秒 天宫二号冷原子钟做到了[N];解放日报;2018年

6 首席记者 许琦敏;我国冷原子钟3000万年误差小于1秒[N];文汇报;2018年

7 记者 吴月辉;天宫二号空间冷原子钟实现预定科学目标[N];人民日报;2018年

8 宗合;我国首次在超冷原子体系中观测到任意子激发[N];中国航空报;2017年

9 记者 齐芳;我科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破[N];光明日报;2016年

10 首席记者 姜澎;为冷原子研究打开新视角[N];文汇报;2016年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王塑;冷原子及虚拟光学系统中拓扑物理的模拟及研究[D];中国科学技术大学;2018年

2 Abdul;基于光晶格中超冷原子体系玻色采样的研究[D];中国科学技术大学;2018年

3 王旭杰;冷原子长寿命量子存储与纠缠研究[D];中国科学技术大学;2018年

4 敬波;基于多个冷原子系综的量子网络[D];中国科学技术大学;2019年

5 张琪;冷原子最优化非绝热操控的若干问题研究[D];上海大学;2018年

6 宋亚东;极化子在冷原子系统中的理论研究[D];中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所);2019年

7 潘磊;低维强相互作用超冷原子中的量子磁性与多体稳定性[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2019年

8 叶冲;人工规范场中的冷原子[D];中国工程物理研究院;2017年

9 沈鑫;冷原子系统量子模拟与拓扑不变量测量[D];南京大学;2018年

10 宋宏伟;基于冷原子干涉仪的重力梯度精密测量研究[D];华中科技大学;2017年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 金礼鹏;冷原子体系中人工自旋轨道耦合效应的理论研究[D];扬州大学;2019年

2 刘辉;周期驱动冷原子体系中的新奇拓扑物态[D];兰州大学;2019年

3 彭鹏;三角光晶格D能带上超冷原子的动力学演化[D];北京大学;2019年

4 厉泽环;冷原子干涉的控制及探测技术研究[D];国防科学技术大学;2016年

5 赵芳婧;小型化锶光钟物理系统的实验研究[D];中国科学院大学(中国科学院国家授时中心);2018年

6 朱龙;两组分超冷原子气相分离的研究[D];南京航空航天大学;2018年

7 曾大吉;冷原子束系统设计与实现[D];浙江大学;2018年

8 李艳英;非均匀光晶格中超冷原子的量子相变[D];东南大学;2017年

9 樊鹏格;原子干涉仪中大通量冷原子源制备技术的研究[D];中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所);2016年

10 赵岫鸟;不同外场中超冷原子—分子的转化动力学研究[D];西北师范大学;2016年

本文编号：2786482