超冷费米气体在光晶格中的奇异超流相研究

论文摘要

自上世纪初Onnes首次发现超导电性以来,超导的概念不断地被人们提起,并且人们开始在不同体系中观测到超导,从大到如中子星到小到如夸克-胶子等离子系统。1957年巴登（Bardeen）,库珀（Cooper）和史瑞夫（Schrieffer）三人先后提出在临界温度以下,自旋相反（其中一个自旋上而另一个自旋下）以及动量相反的两个费米子,由于存在吸引相互作用而形成质心动量为零的库珀对,该理论成功地从微观角度解释了超导产生的机制。几年后,人们从理论上预测到在低温和强磁场的作用下的超导体中的库珀对质心动量非零,此后人们开始在超导材料中寻找这种奇异超导态存在的证据。然而由于实验技术的限制,目前人们仅在重费米子超导系统以及有机物超导体中间接地观测到该奇异超导态的存在。上世纪末在稀化碱金属原子气中实现玻色爱因斯坦凝聚（BEC）标志着冷原子物理的研究开端,其主要的研究对象为在零温附近的碱金属和碱土金属原子。经过近十几年的发展,超冷原子气体已经成为在量子模拟方面最具有前景的物理平台之一,主要表现在:冷原子系统中的Feshbach共振技术的提出和实现,使得原子之间的相互作用人为可调,从而人们能够在超冷原子气体中模拟强关联系统;自旋轨道耦合的实验实现使得冷原子系统可以实现人工规范场;光晶格及其调控的实现,使得人们可以利用超冷原子系统来研究凝聚态物理中晶格体系的性质,并可以用于研究低维系统中的物理现象。综上,由于冷原子系统的高度可控性以及纯净性等特点使得其在寻找奇异超流相方面极具优势,这也是本论文的通篇重点。我们的具体研究工作如下:1、在光晶格中的无自旋超冷费米气体的Fulde-Ferrell超流相的制备。最早人们提出实现Fulde-Ferrell超流相的方案是利用塞曼场,由于塞曼场使不同自旋的费米子产生不同的能量漂移,从而导致系统中的不同自旋费米子形成的库珀对的质心动量非零。但是由于该方案中实现Fulde-Ferrell超流相的条件非常苛刻,而且Fulde-Ferrell超流相在受到量子涨落的影响变得不稳定,从而在实验上实现非常困难。在过去几年间人们提出各种在冷原子系统中实现Fulde-Ferrell超流相的方案,其中包括利用各向异性的光晶格系统,震荡光晶格系统等,并且人们在自旋非平衡光晶格系统中间接观测到了Fulde-Ferrell配对存在的证据。另一方面,自从Kitaev等人首次提出有p波相互作用的无自旋费米子在一维晶格中能产生拓扑非平庸的超流态,无自旋费米子系统开始逐渐成为人们的研究热点,并且在冷原子实验上人们已经实现了在光晶格中的无自旋费米子系统的超流相。然而在无自旋费米系统中的Fulde-Ferrell超流相还未被人们关注,从而我们的工作是利用在二维光晶格中的无自旋费米气体制备Fulde-Ferrell超流相,具体研究如下:我们研究了在二维光晶格中的无自旋费米子模型并计算了该模型中的单粒子能谱和费米面,并讨论了在该系统中形成Fulde-Ferrell超流相的机制;我们利用陈数来表征该系统的拓扑性质,并分析了系统中出现的BCS超流相和Fulde-Ferrell超流相的拓扑性质;我们分析了Fulde-Ferrell超流相和BCS超流相的稳定性;此外,我们讨论了实现该二维光晶格中的无自旋费米子模型的实验方案。2、在多层光晶格中的超冷费米气体的配对密度波态的制备。在受到此前人们制备配对密度波态的方案的启发,我们提出利用全同的自旋轨道耦合结合塞曼场来实现配对密度波态的制备。具体研究工作为:我们研究了在有塞曼场和自旋轨道耦合情况下的多层光晶格系统中的费米气体的超流性质。尽管不同层的晶格中塞曼场和自旋轨道耦合完全一致,我们发现通过调节层间跃迁强度和塞曼场强度可以使系统出现配对密度波态,即不同层的光晶格所对应的超流序参不同;我们通过研究多层光晶格系统的单粒子能谱,阐述了在该系统中形成配对密度波态的机制;我们通过计算系统在不同参数下的陈数来研究系统的拓扑相变,并研究了系统中的BCS超流相以及配对密度波态的拓扑性质,以及拓扑非平庸超流相的体边对应现象。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑振飞

导师: 邹旭波,郭光灿

关键词: 超冷费米气体,光晶格,平均场理论,超流,配对密度波态,拓扑相变

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O469

总页数: 111

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