微腔中光与简并费米气体的多体效应及量子相变

论文摘要

随着稀薄原子气态的玻色爱因斯坦凝聚在实验上的成功制备,超冷原子体系已经成为物理学研究的一个热门方向,并且为探索量子多体效应提供了一个新的平台。近几年来,基于实验技术的不断进步,人们在超冷原子体系中观察到了Feshbach共振、自旋轨道耦合现象以及实现了光学晶格的构造等。其中,纯净可控的光晶格中冷原子技术已经成为模拟多体物理的重要手段之一。然而,目前关于该系统实验方面的研究都是基于原子间的短程相互作用,为了研究长程相互作用诱导的新奇多体现象,人们基于腔量子电动力学系统提出了把超冷原子系综耦合到高精度的光学微腔中的方案,从而实现了以腔场光子为媒介的原子间的无限长程相互作用,该长程相互作用与原子间的距离无关,只依赖于原子与腔场的耦合强度。另一方面,微腔—超冷原子耦合系统会诱导出许多新奇的集体动力学特性。值得注意的是,人们于2007年首次把玻色爱因斯坦凝聚制备到高精度的光学微腔中,于2010年观测到了超辐射量子相变,于2016年在微腔—超冷原子耦合系统中观测到了由无限长程和短程相互作用之间的相互竞争产生的丰富的量子相。随着微腔—超冷原子耦合系统实验的进展,越来越多不同领域内的理论研究者们开始关注并研究该系统下的物理效应。此外,与玻色爱因斯坦凝聚不同,简并费米气体由于满足泡利不相容原理,同一个量子态上只能占据一个全同(自旋和动量相同)费米子,且当费米子间存在吸引的相互作用时,费米面附近两个动量相反、自旋相反的费米子形成一对库伯配对,系统体现出超流特性。因此,基于目前的实验发展,以及简并费米气体在极低温下独有的特性,在本文中我们主要是研究简并费米气体与微腔耦合系统中若干有意义且新奇的多体现象,具体的内容如下:1、光学腔中二维极化简并费米气体的量子混合相基于二维极化的简并费米气体,我们结合腔量子电动力学系统提出了一个腔场辅助的费米—狄拉克模型。我们利用平均场近似理论,发现该模型中存在与玻色系统完全不同的量子相变,具体地,当光与原子的耦合强度小于某一临界点时,且有效塞曼场较小时,系统处于含有两个费米面的正常相,随着耦合强度的增加,当超辐射发生时,体系存在由部分极化的正常相到超辐射相的一阶量子相变,且在临界线处存在一个正常相和超辐射相共存的混合相。而当有效的塞曼场较大时,结果与玻色系统的结果类似。最后,我们给出系统的相图。2、光学微腔中相互作用简并费米气体的超辐射—超流混合相我们知道当简并费米原子含有吸引相互作用时,调节相互作用强度体系会出现BCS超流相,因此,在微腔—超冷原子耦合系统中,我们考虑系统存在短程的接触相互作用。同样地,基于平均场近似理论,我们发现当原子间的相互作用和原子—腔模相互作用都存在时,费米BCS超流相到超辐射的相变是一阶的,并伴随有一个由这两个相共存的混合相。另外,与传统的BCS超流相不同,在混合相中,原子的极化率与无量纲化的超流序参量的比值相比较大。最后,我们给出了依赖于有效塞曼场和有效耦合强度的量子相图。3、光学腔中一维简并费米气体的磁性转变目前,在原子—微腔耦合系统中关于磁性方面的研究较少,在该工作中,我们总结了分别在不同的情况下的原子磁性关联的特性。具体地,我们考虑的是一维费米原子—微腔耦合系统,当原子与泵浦场的失谐是蓝失谐时,光与原子的相互作用使得不同自旋、不同格点的原子发生耦合,在这种情况下,当超辐射发生时,系统的磁性会发生转变,当耦合强度大于某一值时,系统由反铁磁超辐射关联转变到铁磁超辐射关联,另外,我们还分析了不同的填充因子对磁性的影响。相反地,原子与泵浦场的失谐是红失谐时,光与原子的相互作用使得不同自旋、同一格点的原子发生耦合,在这种情况下,当超辐射发生时,系统始终处于具有反铁磁关联特性的超辐射相,不同的填充因子对该磁性相的影响不大。4、周期振荡动力学光晶格中的拓扑特性我们为研究新奇的多体现象提出了一个新的方案。我们考虑把准一维简并费米气体装载到周期振动的光学微腔中,腔场的相位由电光调制器调制,以原子为非线性媒介,使得外加泵浦场和腔场耦合起来,从而得到了一个含时的有效动力学光晶格势,反过来,该晶格势又会对原子自由度产生影响。当电光调制器上外加电压频率较高时,忽略掉高频项,体系会出现腔场辅助的长程跃迁项,包括最近邻跃迁项、次近邻跃迁项以及次次近邻跃迁项,从而使得系统的能带结构发生改变,通过刻画体系的拓扑不变量和边界态,我们发现长程跃迁项会导致非平庸拓扑超辐射相,并且该拓扑相含有大的绕数和四个边界态,随后,我们对不同情况下体系的对称性进行分析。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 冯彦林

导师: 陈刚

关键词: 简并费米气体,超辐射,超流,磁性关联,量子相变

来源: 山西大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山西大学

分类号: O469

总页数: 115

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