强相互作用超冷费米气体的膨胀动力学研究

发布时间：2017-12-22 22:36

  本文关键词：强相互作用超冷费米气体的膨胀动力学研究　出处：《华东师范大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： Feshbach共振 强相互作用超冷费米气体 标度不变性 Efimovian膨胀动力学 量子绝热捷径

【摘要】：近二十年以来超冷费米气体得到了迅猛的发展,磁阱蒸发冷却、玻色子协同冷却、全光俘获等各种技术使得人们可以获取纳开皮开量级的超冷原子和分子,打开了一扇通往费米气体微观量子世界的大门。磁场和光场可控的Feshbach共振可以精确的调控原子间的相互作用,可以用来研究分子凝聚、费米共振超流、模拟凝聚态物理。通过调控原子间的散射长度,已实现理论上三十年前预测的而没在实验上观察到的分子的玻色爱因斯坦凝聚(BEC)和原子对的BCS超流的渡越(BEC-BCS crossover)。特别地,当费米原子处于散射共振时,超冷的费米气体相互作用强度趋于无穷,费米多体系统除原子间的距离外不再具有特征长度,表现出普适的热力学特性,是目前所发现的最强相互作用的超流体,具有标度不变性的对称性。在这样的标度不变的超冷费米气体中,通过精确调控外加俘获势和原子间相互作用强度,构成了一个测试基本的少体和多体物理的理想系统。本论文主要是研究强相互作用超冷费米气体的普适膨胀动力学。设计并搭建了超冷费米原子和玻色分子精密操控的实验研究平台,实现了全光俘获的双成份的6Li原子的费米简并和分子的玻色爱因斯坦凝聚,研究了费米共振超流。本平台主要由大功率的冷却激光系统、超高的真空系统、超稳的偶极俘获系统和高分辨的成像探测系统组成。针对6Li原子激发态能级不可分辨、反冲动量大难以激光冷却困难的问题发展了一套新的激光系统,采用种子光注入、Raman光纤放大和内腔倍频的方案,获取了 2.5W的激光输出功率,简化了实验条件,避免了冗杂繁琐的实验装置所带来的操作困难,获取了接近多普勒冷却极限的109大数目冷原子;实验上超高真空近10-12托尔,有效抑制了背景气体碰撞所带来的原子损失和背景加热,结合所发展的超稳定大功率偶极俘获,实现了冷原子的高效装载,原子的寿命可达近百秒,为超冷费米气体的制备提供先决条件;设计及发展了一套可以快速开关的大磁场强度(可达1200高斯)的Feshbach共振线圈,磁场稳定度优于10毫高斯,可以精确的控制原子间的相互作用强度,实现分子的玻色爱因斯坦凝聚和原子对的BCS超流的渡越。在已实现的超冷强相互作用的原子系统基础上,在标度不变的么正(散射长度无穷大)和无相互作用的费米原子气体中,发现了新奇的动力学膨胀现象,研究了其普适的膨胀动力学行为。当外加谐振子势的频率变化为时间的倒数时且频率的变化曲线越过一临界点时,费米原子气体膨胀的连续性对称性变为离散对称性,其动力学膨胀过程出现一系列离散的量子化台阶,此台阶呈现为时间和空间等比数列。这一独特的膨胀动力学巧妙地联系到70年代所预测的著名的量子三体Efmov效应,重要的是这一效应是普适的,可以在其他的标度不变的系统中观察到,比如二维的量子气体和一维的Tonks气体等。本论文另一个动力学研究是在超冷费米原子气体中实现了量子绝热捷径。我们第一次在强相互作用的量子流体中实现了量子态间的快速绝热操纵,通过改变外加的俘获势,原子的多体态可以快速的变为另一个态而没有经历激发;通过一个热力学循环证明了操纵过程中的熵保持不变;在无相互作用的费米气体中测试了其动力学量子绝热捷径的普适性。该操控方案使用非绝热的手段达成快速绝热的实验目的,适用于所有标度不变的量子多体系统,对于研究强关联费米气体的平衡动力学演化有着重要意义。本论文主要通过可控的原子相互作用和外加俘获势研究强相互作用超冷费米气体的平衡热力学特性以及非平衡动力学。特别地研究了标度不变的量子多体系统的Efimovian膨胀和量子绝热捷径,可以打开新的研究视野,为将来研究对称破缺或量子热化等新奇的多体动力学奠定了重要的基础。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O469

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本文编号：1321366