自旋轨道耦合量子气体中的非平衡态动力学的实验研究

发布时间：2022-09-28 18:31

　　自从20世纪80年代人们发现了一种新奇的基本物质相-拓扑相以来,拓扑量子物质就以其奇特的物理性质和广泛的应用前景极大地吸引了人们的研究兴趣。虽然在超冷原子领域已经构建了一些拓扑系统,但测量系统的拓扑性质总是存在各种困难。本博士论文主要探讨利用非平衡态动力学方法在超冷原子平台上研究自旋轨道耦合人工规范场的拓扑性质和构建新型的拓扑结构。本文首先在前三章介绍在超冷原子平台上研究非平衡态动力学和自旋轨道耦合规范场的一些背景知识。在绪论部分,简述非平衡态动力学的研究现状和自旋轨道耦合效应,第二章介绍在超冷原子气体中合成一维和二维自旋轨道耦合规范场的理论方案及其相关性质,第三章介绍实现玻色-爱因斯坦凝聚体、实验合成自旋轨道耦合规范场和参数标定等相关技术。这些技术为我们进一步实验研究自旋轨道耦合规范场的相关性质提供了保证。然后,从第四章到第六章详细介绍本人在博士期间的主要研究成果。第四章,介绍利用淬火动力学方法获得平衡态系统的全部拓扑信息。在这里,我们发展了一套“等价”测量所有布洛赫矢量的技术:（1）对二维自旋轨道耦合的所有量子轴淬火,且只测量一个布洛赫矢量随时间的演化:（2）对每次淬火后的布洛赫矢... 

【文章页数】：157 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 在超冷原子中的非平衡态动力学
    1.2 自旋轨道耦合相互作用
        1.2.1 材料中的自旋轨道耦合相互作用
        1.2.2 冷原子中的自旋轨道耦合相互作用
    1.3 论文结构
第2章 人工合成的自旋轨道耦合规范场
    2.1 拉曼跃迁
    2.2 一维自旋轨道耦合
    2.3 二维自旋轨道耦合规范场的人工合成
    2.4 二维自旋轨道耦合的拓扑性质
        2.4.1 陈数和Berry曲率
        2.4.2 二维自旋轨道耦合的波函数和能带-数值方法
        2.4.3 紧束缚模型下的结果
        2.4.4 能带反转面
第3章 相关实验技术
    3.1 玻色爱因斯坦凝聚体的制备
    3.2 二维自旋轨道耦合的实验合成
    3.3 二维自旋轨道耦合参数的标定
        3.3.1 光晶格深度和拉曼耦合强度的标定
        3.3.2 确定共振点
    3.4 消除背景噪声的技术
第4章 利用量子淬火动力学研究体系的拓扑结构
    4.1 理论方案
        4.1.1 基本思想
        4.1.2 实现方案
    4.2 实验实现和测量方法
        4.2.1 实验装置
        4.2.2 标定电光调制器的相位
        4.2.3 量子淬火的实验实现
    4.3 实验结果
        4.3.1 原子云的动力学演化
        4.3.2 精确确定系统的拓扑相图
        4.3.3 从自旋纹理中得到拓扑荷和能带反转面
        4.3.4 动力学的“体-面”对应
        4.3.5 观测到有效拓扑信息的条件
    4.4 创新点和小结
        4.4.1 创新点
        4.4.2 小结
第5章 利用淬火动力学合成新的拓扑相-霍普绝缘体
    5.1 霍普绝缘体
    5.2 对量子反常霍尔模型淬火实现动力学的霍普绝缘体
        5.2.1 基本理论
        5.2.2 通过布洛赫矢量的(?)分量获得霍普连接和霍普纤维丛
    5.3 实验结果
        5.3.1 布洛赫矢量(?)分量的时间演化
        5.3.2 霍普连接的实验观测
        5.3.3 霍普轮胎面的实验观测
    5.4 二维自旋轨道耦合系统布洛赫矢量的全息成像-理论方案
        5.4.1 基本思想
        5.4.2 二维自旋轨道耦合的相位问题
        5.4.3 拉曼脉冲实现布洛赫矢量的全息成像
        5.4.4 数值模拟
    5.5 创新点和小结
        5.5.1 创新点
        5.5.2 小结
第6章 在一维自旋轨道耦合中观测非均匀的Kibble-Zurek机制
    6.1 连续相变
    6.2 Kibble-Zurek机制
        6.2.1 均匀的Kibble-Zurek机制
        6.2.2 非均匀的Kibble-Zurek机制
    6.3 实验实现和测量方法
        6.3.1 实验装置
        6.3.2 一维自旋轨道耦合的二阶相变
        6.3.3 一维自旋轨道耦合参数拉曼耦合强度Ω_0的标定
        6.3.4 探索Kibble-Zurek机制的实验步骤
    6.4 实验结果
        6.4.1 观测原子动量分布的分叉结构
        6.4.2 提取时间部分的标度律
        6.4.3 提取空间部分的标度律
    6.5 数值模拟和理论评估
        6.5.1 转变点的理论评估
        6.5.2 临界指数的数值模拟
    6.6 创新点和小结
        6.6.1 创新点
        6.6.2 小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]Precision mapping the topological bands of 2D spin-orbit coupling with microwave spin-injection spectroscopy[J]. Xiao-Tian Xu,Chang-Rui Yi,Bao-Zong Wang,Wei Sun,Youjin Deng,Xiong-Jun Liu,Shuai Chen,Jian-Wei Pan.  Science Bulletin. 2018(22)
[2]Dynamical classification of topological quantum phases[J]. Lin Zhang,Long Zhang,Sen Niu,Xiong-Jun Liu.  Science Bulletin. 2018(21)
[3]Probe Knots and Hopf Insulators with Ultracold Atoms[J]. 邓东灵,王胜涛,孙锴,段路明.  Chinese Physics Letters. 2018(01)

博士论文
[1]二维自旋轨道耦合量子气体的制备与拓扑相的精确判定[D]. 孙威.中国科学技术大学 2019
[2]二维自旋轨道耦合玻色气体及相关实验技术的研究[D]. 徐晓天.中国科学技术大学 2019
[3]超冷玻色气上二维自旋轨道耦合的实验研究[D]. 吴湛.中国科学技术大学 2017
[4]量子气体在自旋轨道耦合下的实验研究[D]. 张进一.中国科学技术大学 2013



本文编号：3682170