超冷费米气体有限时间量子热力学研究

发布时间：2020-11-04 04:43

　　 随着磁阱蒸发冷却、高分辨成像、光晶格等技术近几年的快速发展,超冷量子气体成为了当前进行多体、少体量子物理研究的理想实验平台。尤其是简并费米量子气体,通过可控的Feshbach共振技术,可以精确控制原子间的相互作用,可以实现从无相互作用到强相互作用的多体量子系统,研究新奇的相变,实现双原子的分子玻色爱因斯坦凝聚对到BCS库伯对之间的渡越,从而可以模拟核物质、凝聚态物理以及夸克胶子等离子体等。特别地,当费米气体处于Feshbach共振时,原子之间的散射长度趋于无穷大,为所谓的幺正区域,费米气体之间的相互作用不再依赖于原子之间的散射长度,仅与系统的能量相关,系统除了原子之间的间距,不再具有其他特征长度,系统体现出标度不变的对称性,具有普适的热力学特性。本论文主要是进行强相互作用的~6Li超冷费米气体的动力学研究。实验系统主要由超高真空、大功率倍频激光冷却系统、超稳定交叉偶极阱偶极俘获系统、高精度的Feshbach共振磁场以及适用于高场成像的高分辨吸收成像系统构成。在博士期间参与了超冷量子气体精密控制的实验研究平台的搭建,实现了费米~6Li的量子简并和分子的玻色爱因斯坦凝聚。实现了真空度10~-1212 Torr的超高真空系统,有效地降低背景气体碰撞带来的原子损失与加热,为超冷费米气体的制备提供了良好的实验环境;针对~6Li原子的激光冷却和俘获的特点,发展了一套基于激光注入、Raman放大以及内腔倍频技术的输出功率2.5 W的大功率671nm激光器系统,简化了~6Li原子激光冷却的实验装置与操作过程,最终能够获取接近~6Li原子多普勒冷却极限的大数目的冷原子;搭建了超稳定交叉偶极阱偶极俘获系统,精确抑制了指向噪声与功率噪声,极大抑制了光场噪声带来的原子的加热与损失,实现了~6Li冷原子的高效率装载,原子的寿命可以达到近百秒;研制了一套高精度磁场系统,磁场强度最高可达1500 G,通过电流控制和磁场探测反馈技术磁场稳定精度约10 mG,可以精确操控原子间的相互作用强度,能够覆盖~6Li超冷费米气体的BEC与BCS全部区域;高分辨吸收成像系统结合光场拍频锁定技术,可以实现0-1500G磁场覆盖区的~6Li超冷费米气体的成像探测,准确的获取原子气体的信息。本论文主要聚焦于强相互作用的费米~6Li量子气体开展多体系统的非平衡动力学以及有限时间的量子动力学研究。~6Li原子标度不变的多体量子系统中的Efimovian与Super-Efimovian非平衡膨胀动力学研究。根据幺正费米气体和无相互作用费米气体系统的标度不变性,通过控制费米量子气体的外加谐振子势阱频率按照特定的时间函数变化,系统的动力学行为体现为离散的时间和空间的标度对称性,这一非平衡膨胀动力学行为与玻色气体中的三体Efimov效应具有非常相似的数学表示方式,实验验证了该动力学行为在标度不变的系统中具有时间反演对称性;在Super-Efimovian非平衡膨胀动力学膨胀过程中测量了原子团的展开与时间成双对数周期性关系,这一表现与费米气体中的Super-Efimov效应的数学描述方式有一定的相似性。更重要的是Efimovian与Super-Efimovian非平衡膨胀动力学具有普适性,可以其他的标度不变的系统中观察到。强耦合多体量子系统中超绝热有限时间热力学研究。利用标度不变的对称性,极大的抑制了非平衡过程的量子耗散。根据强相互作用费米气体的动力学演化,精确设计气体的俘获频率,实现了幺正费米气体在不同平衡态间快速绝热转移,同时证明了无相互作用和强相互作用的费米气体可以服从同一个动力学的演化规律。研究了低温超冷强相互作用费米气体有限时间内的膨胀和压缩动力学,结合counterdiabatic驱动技术,极大的抑制了由于非平衡动力学过程激发所产生的量子耗散,可以增加了多体系统的对外做功,研究了对外输出功率波动和有限时间的关系,证实了其受限于Heisenberg不确定原理。在高温下,量子粘度系数对费米气体具有很大的影响。我们利用粘度流体动力学,研究了有限温度下粘度系数在有限时间热力学操控过程中的影响。研究发现:对各向同性的费米气体粘度系数没有影响,而各向异性的费米气体粘度系数增加了动力学过程中的量子耗散。近共振光与~6Li超冷原子间相互作用研究。采用单光子探测技术,精密测量了近共振光在~6Li超冷费米气体中传播过程中D2线的吸收谱线,并统计了谱线的线宽随原子密度及原子团的光学吸收深度变化趋势,发现谱线线宽与光学吸收深度之间的依赖关系并不符合经典的洛伦兹-洛伦茨理论,而是与引入光场诱导的偶极―偶极相互作用修正的自增宽理论相符合。本论文主要研究了强相互作用的超冷~6Li费米气体,开展了标度不变费米气体的Efimovian与Super-Efimovian非平衡膨胀动力学、强相互作用费米气体的有限时间量子热力学研究以及近共振光与~6Li超冷费米气体相互作用的研究。研究结果呈现出新奇的动力学特性,为多体物理非平衡动力学以及多体量子热机的研究打开了新的思路,具有示范性作用,为在高密度原子中开展的原子分子光物理的相关技术应用提供了有价值的参考。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;O414.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 简并超冷费米气体
    1.2 超冷费米气体中的非平衡动力学
    1.3 量子热机与有限时间量子热力学
    1.4 超冷量子气体中的光和原子相互作用的研究与进展
    1.5 论文结构
第二章 Feshbach共振技术与BEC-BCS渡越区域
Li的基本性质与Feshbach共振'>    2.1 6^Li的基本性质与Feshbach共振
Li原子的基本性质'>        2.1.1 6^Li原子的基本性质
Li原子的Feshbach共振与蒸发冷却'>        2.1.2 6^Li原子的Feshbach共振与蒸发冷却
    2.2 BEC-BCS渡越区域基本物理与幺正费米气体
        2.2.1 BEC-BCS渡越区域
        2.2.2 S波散射理论
        2.2.3 幺正费米气体与标度不变性
    2.3 本章小结
Li超冷费米气体实验系统'>第三章 6^Li超冷费米气体实验系统
Li超冷费米气体的真空系统'>    3.1 6^Li超冷费米气体的真空系统
        3.1.1 原子加热炉
        3.1.2 超高真空主腔体系统
    3.2 磁场系统及其锁定控制
        3.2.1 塞曼减速磁场
        3.2.2 磁光阱磁场系统与6Li原子Feshbach共振磁场及其控制系统
Li超冷费米气体制备与探测的光路系统与激光稳频系统'>    3.3 6^Li超冷费米气体制备与探测的光路系统与激光稳频系统
Li冷原子的俘获与冷却激光及其稳频系统'>        3.3.1 6^Li冷原子的俘获与冷却激光及其稳频系统
        3.3.2 远失谐偶极阱光路系统
        3.3.3 成像系统光路及其激光器稳频技术
Li简并费米气体与分子的玻色爱因斯坦凝聚实现'>    3.4 6^Li简并费米气体与分子的玻色爱因斯坦凝聚实现
        3.4.1 蒸发冷却
Li原子量子简并'>        3.4.2 6^Li原子量子简并
Li₂分子的玻色爱因斯坦凝聚实验'>        3.4.3 6^Li₂分子的玻色爱因斯坦凝聚实验
    3.5 超冷费米气体的偶极阱频率测量
        3.5.1 参量共振模式频率测量方法
        3.5.2 集体激发模式频率测量方法
    3.6 本章小结
第四章 标度不变简并费米气体的Efimovian与 Super-Efimovian非平衡膨胀动力学研究
    4.1 超冷费米气体的膨胀动力学理论
        4.1.1 无相互作用的超冷费米气体膨胀动力学理论
        4.1.2 强相互作用费米气体的膨胀动力学理论
    4.2 超冷费米气体中Efimovian非平衡膨胀动力学研究
        4.2.1 超冷费米气体中的Efimovian非平衡膨胀动力学理论
        4.2.2 超冷费米气体中的Efimovian非平衡膨胀动力学的实验验证
    4.3 超冷费米气体中Super-Efimovian非平衡膨胀动力学研究
        4.3.1 Super-Efimovian非平衡膨胀动力学理论
        4.3.2 Super-Efimovian非平衡膨胀动力学实验研究
    4.4 本章小结
第五章 超冷费米气体的有限时间热力学特性研究
    5.1 幺正费米气体的快速量子绝热转移研究
        5.1.1 幺正费米气体的快速量子绝热转移理论
        5.1.2 幺正费米气体中快速量子绝热转移实验研究
    5.2 幺正费米气体超绝热有限时间量子热力学研究
        5.2.1 无量子摩擦超绝热有限时间的量子热力学过程理论设计
        5.2.2 无量子摩擦超绝热有限时间量子热力学过程实验验证
    5.3 粘滞阻力对超绝热有限时间热力学过程的影响
        5.3.1 各向同性超绝热有限时间热力学控制方案设计
        5.3.2 粘滞阻力对超绝热有限时间热力学实验操控的影响
    5.4 本章小结
Li超冷费米气体中传播的实验与理论研究'>第六章 近共振光在6^Li超冷费米气体中传播的实验与理论研究
    6.1 近共振光在介质中传播的理论
    6.2 近共振光在6Li超冷费米气体中传播的实验研究
    6.3 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 研究工作总结
    7.2 研究工作展望
参考文献
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本文编号：2869631