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Vol. 68, No. 4 (2019)

2019年02月20日

专题

冷原子-分子物理

编者按:

20世纪八十年代激光冷却中性原子技术的发展开创了冷原子分子物理研究领域;1995年玻色-爱因斯坦凝聚体在冷原子气体中的实验实现吸引了凝聚态和统计物理等多学科研究人员的广泛关注,这两项开创性研究分别获得了1997年和2001年的诺贝尔物理学奖。随后,研究者在该领域迅速取得了若干其他重要突破,并逐渐和物理学的各分支,如凝聚态物理、光物理、精密测量物理、理论物理和量子信息等交叉融合,从而形成了一个全新的研究领域。


由于冷原子或冷分子都是高度可控并近乎完美的量子体系,描写它的哈密顿量的每一项参数,如动能、势能、相互作用、无序度、等效规范场等都是实验可控的,因此它可以用来模拟强关联体系以及研究一些极端条件的物理现象,同时它是量子计算物理实现的有力候选体系。另外,它可以用来精密测量各种物理量,如实现最高时间测量精度的原子钟、精密测量电磁场等,从而在军民两用领域都有重大应用价值。近几十年来,冷原子-分子物理始终是物理学国际前沿热点研究领域之一.


本专题邀请了若干活跃在该领域前沿的专家撰稿,介绍了冷原子和冷分子领域部分国际前沿课题和最新研究进展. 专题以短篇综述为主,从研究内容上可大致分为三类:一是基于冷原子分子的量子模拟(大部分文章属于此类);二是冷原子分子的实现和精确操控;三是基于冷原子分子的精密测量. 希望这个专题能够为国内高年级本科生选择科学方向、研究生选择研究课题、以及从事相关领域的研究人员提供帮助,并进而促进原子分子和量子物理学的发展.


客座编辑:南京大学物理学院 朱诗亮 物理学报.2019, 68(4).
专题:冷原子-分子物理
专题
2019-04ML目录
2019, 68 (4): 1-5.
摘要 +
库的量子关联相干辅助系统能量提取的研究
李海, 邹健, 邵彬, 陈雨, 华臻
2019, 68 (4): 040201. doi: 10.7498/aps.68.20181525
摘要 +
基于单模微腔与二能级原子系综(库)构成的混合动力学模型, 探索了非平衡库中量子关联相干(quantum correlated coherence, QCC) [Tan K C, et al. 2016 Phys. Rev. A 94, 022329])对系统动力学的影响. 推导了量子关联相干库下系统演化的动力学方程. 借助于含QCC的类GHZ库及其对应的参考库, 清晰地揭示了非平衡库中QCC扮演着热力学资源的角色——能够有效辅助系统从库中提取更多能量. 同时, 结合解析与数值模拟方法研究了类GHZ库的有效温度和系统与库间的耦合参数对QCC能量效应的影响. 研究发现, QCC对腔场的能量贡献不仅依赖于库的有效温度, 而且也和系统与库间的耦合参数有关. 这与二能级原子构成的传统的热库的情况(腔场从热库中提取的能量仅仅依赖于库的有效温度即二能级原子的热布局)完全不同. 此外, 研究发现QCC可视作一类优质的热力学资源, 在特定条件下其对系统的能量贡献远大于原子热布局的贡献. 因此, QCC将是高输出功率或高效率量子热机设计中的一类重要燃料.
等离子体中X射线透过率分析及潜在通信应用研究
李瑶, 苏桐, 雷凡, 徐能, 盛立志, 赵宝升
2019, 68 (4): 040401. doi: 10.7498/aps.68.20181973
摘要 +
X射线具有波长短、光子能量高等特点, 有望在等离子体环境中实现信息的有效传输. 本文首先采用基于连续介质中的WKB分层法, 研究了黑障条件下, X射线在非均匀等离子体鞘套中的透过率特性, 仿真了不同等离子体电子密度和碰撞频率下X射线信号的透过率, 理论上证明了X射线可用于黑障区信息传输的可行性. 其次通过搭建环形扩散辉光放电等离子体发生器及实验验证系统, 进行了国内外首次X射线穿过等离子体鞘套的验证实验. 实验结果表明, 等离子体对X射线信号的透过率存在一定程度的衰减, 透过等离子体前后的X射线信号能谱轮廓相似度优于95.5%, 能谱峰值点的偏移量小于1.3%. 此外, 在原有理论模型的基础上, 考虑等离子中的粒子与X射线的碰撞、吸收效应, 优化了X射线在等离子体中的透过率模型, 与传统的理论方法相比, 该模型可对实验现象进行更好的解释. 同时计算了X射线在临近空间的透过率, 并分析了X射线通信所能达到的潜在指标. 这些结果有望为解决黑障区信号传输提供一定的理论与实验依据.
高分五号卫星多角度偏振相机最优化估计反演: 角度依赖与后验误差分析
郑逢勋, 侯伟真, 李正强
2019, 68 (4): 040701. doi: 10.7498/aps.68.20181682
摘要 +
多角度偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)随高分五号卫星已经成功发射并持续获取全球观测数据. 针对DPC在陆地气溶胶反演领域的应用需求, 本研究基于多参数最优化估计反演框架, 引入信息量和后验误差分析工具, 讨论了DPC观测信息量对角度的依赖, 给出了地表和气溶胶参数的后验误差, 并分析了后验误差的影响因素. 研究表明: 1)卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升, DPC多角度观测比单角度观测的总DFS(degree of freedom for signal)平均提高了5.45; 2)气溶胶反演比地表更依赖于卫星观测几何, 散射角覆盖范围越大, 观测包含的气溶胶信息量越多; 3)反演参数的后验误差随观测角度个数的增加显著降低, 而气溶胶模型误差对后验误差的影响并不显著. 总体来说, 观测误差是影响反演结果不确定性的主要因素. 本研究对DPC多角度偏振观测的反演能力以及反演不确定性进行了系统的定量评估, 为DPC在轨测试及反演算法开发提供参考.
氦离子显微镜对钨中氦行为的实验研究
马玉田, 刘俊标, 韩立, 田利丰, 王学聪, 孟祥敏, 肖善曲, 王波
2019, 68 (4): 040702. doi: 10.7498/aps.68.20181864
摘要 +
针对热核聚变面向等离子体钨材料中氦泡形成、演变以及机理研究的需求, 克服目前常用离子注入、电子扫描显微镜和透射电子显微镜等离线研究手段存在的不足, 提出氦离子显微镜对钨中氦的上述行为原位实时在线研究方法. 借助氦离子显微镜的离子注入、显微成像和聚焦离子束纳米加工功能, 它可以提供能量为0.5—35 keV、束流密度可达1025 ions/(m2·s)以上的氦离子束, 在该设备上进行钨中氦的注入实验. 同时在注入过程, 实时在线监测钨中氦泡形成、演变过程以及钨材料表面形貌的变化, 原位在线分析钨材料表面氦泡的大小、迁移合并以及其诱发的钨表面和近表面的微观损伤. 实验结果表明: 氦离子显微镜是研究钨中氦行为演变过程及其微观机理研究的新的研究手段和强有力的实验工具.

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Hg+离子5d106s 2S1/2→5d96s2 2D5/2钟跃迁同位素位移和超精细结构的理论研究
张祥, 卢本全, 李冀光, 邹宏新
2019, 68 (4): 043101. doi: 10.7498/aps.68.20182136
摘要 +
本文首先在Dirac-Hartree-Fock近似下理论评估了Hg+离子5d106s 2S1/2→5d96s2 2D5/2钟跃迁的质量位移(mass shift, MS)和场位移(field shift, FS)在其同位素位移(isotope shift, IS)中的相对贡献, 发现MS远小于FS而可以被忽略. 在此基础上, 通过系统地考虑该原子体系中主要的电子关联效应, 计算了这条钟跃迁FS的精确值以及涉及到的上下两个能级的超精细结构常数, 并得到了几种稳定汞同位素离子该跃迁的IS和超精细结构分裂. 其中, 计算的199Hg+198Hg+离子之间的钟跃迁频率偏移与已有实验测量值相比误差为2%左右. 最终, 本文给出了汞离子7种常见同位素该谱线的绝对频率值, 为实验上的谱线测量提供了有效的理论依据.

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一价镧离子高n里德伯态
李晓康, 贾凤东, 余方晨, 李明阳, 薛平, 许祥源, 钟志萍
2019, 68 (4): 043201. doi: 10.7498/aps.68.20181980
摘要 +
$ 5{\rm d}6{\rm d} \; ^3{\rm F}_2 $的一价镧离子光谱, 分析了该实验谱, 确定了一价镧离子一强一弱两个自电离里德伯系列. 同时利用多通道量子亏损理论(MQDT)框架下的相对论多通道理论(RMCT)计算, 标识了这两个自电离里德伯系列, 强的自电离里德伯系列标识为$ 5{dnp}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{1}{2}\right)_3 $和/或$ 5{ dnp}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{1}{2}\right)_2 $, 弱系列标识为为$ 5{ dnf}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{5}{2}\right)_3 $和/或$ 5{dnf}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{5}{2}\right)_2 $. 根据实验谱峰数据, 发现有效量子数很高时, 里德伯和自电离里德伯能级量子数亏损随激发能量不平滑变化, 并分析了可能的原因.">基于五步激光共振激发, 经由中间态(Xe) $ 5{\rm d}6{\rm d} \; ^3{\rm F}_2 $的一价镧离子光谱, 分析了该实验谱, 确定了一价镧离子一强一弱两个自电离里德伯系列. 同时利用多通道量子亏损理论(MQDT)框架下的相对论多通道理论(RMCT)计算, 标识了这两个自电离里德伯系列, 强的自电离里德伯系列标识为$ 5{dnp}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{1}{2}\right)_3 $和/或$ 5{ dnp}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{1}{2}\right)_2 $, 弱系列标识为为$ 5{ dnf}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{5}{2}\right)_3 $和/或$ 5{dnf}\left(\dfrac{5}{2},\dfrac{5}{2}\right)_2 $. 根据实验谱峰数据, 发现有效量子数很高时, 里德伯和自电离里德伯能级量子数亏损随激发能量不平滑变化, 并分析了可能的原因.
水中受激拉曼散射的能量增强及受激布里渊散射的光学抑制
史久林, 许锦, 罗宁宁, 王庆, 张余宝, 张巍巍, 何兴道
2019, 68 (4): 044201. doi: 10.7498/aps.68.20181548
摘要 +
为提高液体介质中受激拉曼散射的输出能量, 提出了通过温度调控来抑制受激布里渊散射的方法, 设计了532 nm多纵模宽带脉冲激光泵浦的受激拉曼散射发生系统, 测量了不同温度下水中前向受激拉曼散射及后向受激布里渊散射的输出能量, 分析了水温、泵浦激光线宽及热散焦效应对受激拉曼散射输出能量影响的物理机制. 实验结果表明: 通过降低水温可实现对受激布里渊散射过程的有效抑制, 同时减小热散焦效应带来的光束畸变, 从而有效提高受激拉曼散射的输出能量. 研究结果对液体介质中的受激拉曼散射多波长转换具有重要意义.
浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化
侯倩男, 吴金荣
2019, 68 (4): 044301. doi: 10.7498/aps.68.20181475
摘要 +
在浅海, 尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导, 海底界面反向散射是浅海混响的主要来源. 经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性, 而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷, 但同时也引入了其受地声模型约束的问题. 本文结合了海底反射系数的三参数模型, 对浅海远场海底反向散射模型进行了简化, 以减少地声模型的输入参数. 理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用, 无需任何海底地声参数的先验知识. 通过对海底反向散射模型近似简化, 结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同: 在临界角附近, 海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关; 对于甚小掠射角, 海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关, 其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.
Co2-基Heusler合金Co2FeAl1–xSix(x = 0.25, x = 0.5, x = 0.75)的结构、电子结构及热电特性的第一性原理研究
杨艳敏, 李佳, 马洪然, 杨广, 毛秀娟, 李聪聪
2019, 68 (4): 046101. doi: 10.7498/aps.68.20181641
摘要 +
运用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 对Co2FeAl1–xSix(x = 0.25, 0.5, 0.75)系列Heusler合金的电子结构、四方畸变、弹性常数, 声子谱以及热电特性进行了计算研究. 结果显示, Co2FeAl1–xSix系列合金的电子结构均为半金属特性, 向下自旋态(半导体性)均呈现良好的热电特性, 并且随着硅原子浓度的增加功率因子随之增加. 计算的声子谱不存在虚频, 均满足动力学稳定性条件, 弹性常数均满足玻恩稳定性条件, 机械稳定性均良好. 随着晶格常数c/a的比值变化, 体系的能量最低点均出现在c/a = 1处, 即结构稳定性不随畸变度c/a的变化而变化, 说明不存在马氏体相变. 此系列合金薄膜的电子结构呈现较高的自旋极化率, 在替代浓度x = 0.75时自旋极化率达到100%, 且当x = 0.75时薄膜在畸变度c/a = 1.2时存在马氏体相变. 随着晶格畸变度的改变, 总磁矩也发生变化, 且主要由Fe和Co两种过渡金属原子的磁矩变化所决定.
光子重吸收对硅片的光载流子辐射特性影响的理论研究
王谦, 刘卫国, 巩蕾, 王利国, 李亚清, 刘蓉
2019, 68 (4): 047201. doi: 10.7498/aps.68.20181889
摘要 +
光载流子辐射技术已广泛应用于半导体材料性能的表征, 本文基于一种包含光子重吸收效应的光载流子辐射理论模型, 对单晶硅中光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响进行了详细的理论分析. 分析结果表明, 光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响主要取决于样品掺杂浓度、过剩载流子浓度和过剩载流子的分布. 由于过剩载流子浓度及其分布与材料电子输运特性密切相关, 电子输运参数的变化将导致光子重吸收效应的影响随之变化. 进一步分析了光子重吸收效应对具有不同电子输运特性的样品的电子输运参数的影响, 并提出了减小光子重吸收效应影响的方法.
热粘弹波在变温非均匀合金熔体中的传播
王汝佳, 吴士平, 陈伟
2019, 68 (4): 048101. doi: 10.7498/aps.68.20181923
摘要 +
机械波在金属凝固过程中传播的定量计算一直是一个难题, 主要原因就是在这个过程中的熔体结构非常复杂. 本研究考虑到熔体的变温、非均匀和粘弹性的特点, 采用Kelvin粘弹性介质模型, 建立了具有粘热损失特性的热粘弹性波动方程, 通过隐式有限差分方法对波动方程进行求解, 并以ZL203A合金熔体为研究对象, 探究了热粘弹波在变温非均匀介质中的传播规律. 结果表明: 热粘弹波从合金熔体的低温区向高温区传播时, 非均匀的温度场对波的传播有较大影响; 相反, 当波从合金熔体的高温区向低温区传播时, 非均匀的温度场对波的传播几乎没有影响. 热粘弹波在合金熔体中的衰减系数随频率的增大呈线性增大, 而随温度的升高先增大后减小, 在熔体的枝晶搭接温度附近达到最大值.

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温度梯度区域熔化作用下熔池迁移的元胞自动机模拟
方辉, 薛桦, 汤倩玉, 张庆宇, 潘诗琰, 朱鸣芳
2019, 68 (4): 048102. doi: 10.7498/aps.68.20181587
摘要 +
本文采用耦合凝固和熔化效应的二维元胞自动机(cellular automaton, CA)模型, 对温度梯度区域熔化(temperature gradient zone melting, TGZM)效应引起的熔池在固液两相区中的迁移现象进行模拟研究. 模拟分析了抽拉速度、熔池初始位置、温度梯度和合金成分等因素对TGZM动力学的影响, 并将模拟结果与解析模型的预测结果进行比较验证. 通过模拟发现, 在温度梯度作用下, 熔池总是向着高温方向迁移; 当抽拉速度低于或高于临界抽拉速度时, 熔池朝向移动的液相线或固相线迁移; 对于给定的抽拉速度, 位于糊状区内临界位置以上的熔池会迁移进入液相, 而位于临界位置以下的熔池会逐步靠近固相线. 此外, 温度梯度越高, 合金成分越低, 熔池的迁移速度越快.
一种共轭聚合物单分子发色团吸收和发射特性动态演变过程的实时测量
石莹, 李耀, 周海涛, 陈瑞云, 张国峰, 秦成兵, 高岩, 肖连团, 贾锁堂
2019, 68 (4): 048201. doi: 10.7498/aps.68.20181986
摘要 +
利用频域信息重构的散焦宽场成像测量了Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole](PFO-DBT)共轭聚合物单分子发色团的吸收与发射特性及其动态演变过程. 通过调制用于激发共轭聚合物单分子的超短脉冲对的相对相位, 对单分子荧光进行傅里叶变换的频域测量, 跟踪发色团吸收偶极取向变化; 通过测量散焦荧光成像光斑探测发色团发射偶极取向变化. 研究发现, PFO-DBT共轭聚合物单分子发色团存在吸收和发射偶极取向均保持不变、其中之一变化以及两者同时变化三种情况. 这种对共轭聚合物单分子发色团吸收和发射偶极取向演化过程的实时测量可用于分析共轭聚合物构象变化及其对能量转移过程的影响.
选择性埋氧层上硅器件的单粒子瞬态响应的温度相关性
高占占, 侯鹏飞, 郭红霞, 李波, 宋宏甲, 王金斌, 钟向丽
2019, 68 (4): 048501. doi: 10.7498/aps.68.20191932
摘要 +
本文建立了90 nm工艺下的绝缘体上硅浮体器件和选择性埋氧层上硅器件模型, 通过器件电路混合仿真探究了工作温度对上述两种结构的多级反相器链单粒子瞬态脉冲宽度以及器件内部电荷收集过程的影响. 研究表明, N型选择性埋氧层上硅器件相较于浮体器件具有更好的抗单粒子能力, 但P型选择性埋氧层上硅器件的抗单粒子能力在高线性能量转移值下与浮体器件基本相同. 同时电荷收集的温度相关性分析表明, N型选择性埋氧层上硅器件只存在漂移扩散过程, 当温度升高时其电荷收集量变化很小, 而N型浮体器件存在双极放大过程, 电荷收集量随着温度的升高而显著增加; 另外, P型选择性埋氧层上硅器件和浮体器件均存在双极放大过程, 当温度升高时P型选择性埋氧层上硅器件衬底中的双极放大过程越来越严重, 由于局部埋氧层的存在, 反而抑制了其源极的双极放大过程, 导致它的电荷收集量要明显少于P型浮体器件. 因此选择性埋氧层上硅器件比浮体器件更好地抑制了温度对单粒子瞬态脉冲的影响.
免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进展
赵生盛, 徐玉增, 陈俊帆, 张力, 侯国付, 张晓丹, 赵颖
2019, 68 (4): 048801. doi: 10.7498/aps.68.20181991
摘要 +
免掺杂、非对称异质接触的新型太阳电池由于近几年的飞速发展, 理论转化效率已达到28%, 具有较大的发展空间, 引起了人们的重视. 由于传统晶硅太阳电池产业存在生产设备成本高、原材料易燃易爆等诸多限制, 市场对太阳电池产业低成本、绿色无污染的期待越来越高, 极大地增加了免掺杂、非对称异质接触的新型太阳电池研究和开发的必要性. 为了进一步加快免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进度, 本文对其发展现状进行了综述, 着重讨论了过渡金属氧化物(TMO)载流子选择性运输的基本原理、制备技术以及空穴传输层、电子传输层和钝化层对基于TMO构建的免掺杂、非对称异质接触(DASH)太阳电池性能的影响, 以期对电池的工作机理、材料选择有更深刻的认识, 为新型高效的DASH太阳电池制备提供指导.
专题:冷原子-分子物理
一维准周期晶格的性质及应用
王玉成, 刘雄军, 陈澍
2019, 68 (4): 040301. doi: 10.7498/aps.68.20181927
摘要 +
准周期晶格在冷原子领域被广泛研究, 它使得人们可以在一维或者二维系统里研究扩展到安德森局域的转变. 2008年, Inguscio研究组在冷原子系统里制备了一维准周期晶格, 并观测到了安德森局域化现象, 这极大地推动了准周期系统的理论和实验研究. 后来, Bloch研究组在制备的一维和二维准周期晶格中都观测到了多体局域的现象. 最近, 他们还在准周期晶格中成功观测到迁移率边以及存在迁移率边的系统的多体局域现象. 这些冷原子实验推动了多体局域以及迁移率边等方向的研究. 准周期晶格已经成为一个平台, 它对很多物理现象的影响正在被广泛研究, 并可以尝试在冷原子实验中观测到这种影响. 本文结合作者的一些相关工作, 对一维准周期晶格一些近期的研究进行了简要综述, 介绍了一些相关的重要的冷原子实验, 讨论了准周期晶格的一些重要性质, 以及它对一些物理现象(比如拓扑态)的影响.
量子气体中的输运行为
张世忠
2019, 68 (4): 040302. doi: 10.7498/aps.68.20181966
摘要 +
输运测量是了解物质性质的一个重要手段. 本文简单介绍最近在量子气体中实现的输运实验及其主要结论, 包括在类似于介观物理器件中的Landauer输运和强相互作用费米气体中的自旋输运行为. 我们着重讨论自旋动力学的特殊性以及其由于全同粒子相互作用所导致的特殊自旋扩散流的形式.
动力学淬火过程中的不动点及衍生拓扑现象
邓天舒, 易为
2019, 68 (4): 040303. doi: 10.7498/aps.68.20181928
摘要 +
本文对近两年来有关淬火动力学过程中拓扑现象的研究做简要综述. 这些动力学拓扑现象被动力学过程中的衍生拓扑不变量保护, 与淬火前后体系的拓扑性质有密切关系. 基于人工量子模拟平台的高度可控性, 已在诸如超冷原子、超导量子比特、核磁共振、线性光学等众多物理体系中, 通过对人工拓扑体系动力学过程的调控, 观测到如动力学涡旋、动量-时间域的Hopf映射及环绕数、拓扑保护的自旋环结构、动力学量子相变、动量-时间斯格明子等诸多动力学拓扑现象. 其中某些拓扑结构还可以在非幺正动力学淬火过程中稳定存在. 这些研究将人们对拓扑物相的认识和研究从平衡态推广到非平衡动力学领域, 具有重要的科学价值.
冷原子物理中的一维少体问题
刘彦霞, 张云波
2019, 68 (4): 040304. doi: 10.7498/aps.68.20181993
摘要 +
作为构成量子多体系统的基本单元, 一维少体系统的研究不仅可以在理论上为多体系统的量子关联及动力学等性质提供更为基本的理解, 也可以为实验上制备多体系统提供更加方便和功能更加全面的方法. 本文回顾了冷原子物理中一维少体系统最新的实验和理论进展. 首先介绍了少体实验中实现的谐振子势阱中确定原子数的精确制备, 亚稳态势阱和双阱系统中原子的隧穿, 以及强相互作用下等效自旋链的实验结果. 然后深度解析了理论研究方面, 特别是基于精确可解模型的一些重要结果, 包括亚稳态势阱中相互作用原子的隧穿概率, 以及相应实验上常见势阱的能谱分析、密度分布、隧穿动力学以及强相互作用极限下的有效自旋链模型等.
轨道Feshbach共振附近类碱土金属原子的杂质态问题
石悦然, 卢倬成, 王璟琨, 张威
2019, 68 (4): 040305. doi: 10.7498/aps.68.20181937
摘要 +
$ ^{3}{\rm P}_0 $态的杂质原子与处于基态的背景费米海相互作用, 并在费米海表面产生分子态或极化子态. 本文使用试探波函数的研究方法, 首先对分子态和吸引极化子态进行介绍, 并重点描述了分子态与吸引极化子态间的转变. 其次归纳总结了排斥极化子态的相关性质, 如有效质量、衰变率等. 然后考虑双费米面情况, 介绍在闭通道中引入另外一个费米面对系统产生的影响. 最后简要介绍二维173Yb费米气体中的杂质态问题.">近年来, 碱土金属原子和类碱土金属原子体系的研究成为冷原子物理的研究热点之一. 特别是最近在173Yb原子中发现的轨道Feshbach共振, 使得研究有强相互作用的碱土金属和类碱土金属原子系统成为可能, 极大扩展了此类原子体系的研究范围. 本文介绍了173Yb费米气体在轨道Feshbach共振附近的杂质态问题. 在此问题中, 位于$ ^{3}{\rm P}_0 $态的杂质原子与处于基态的背景费米海相互作用, 并在费米海表面产生分子态或极化子态. 本文使用试探波函数的研究方法, 首先对分子态和吸引极化子态进行介绍, 并重点描述了分子态与吸引极化子态间的转变. 其次归纳总结了排斥极化子态的相关性质, 如有效质量、衰变率等. 然后考虑双费米面情况, 介绍在闭通道中引入另外一个费米面对系统产生的影响. 最后简要介绍二维173Yb费米气体中的杂质态问题.
超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量
鹿博, 韩成银, 庄敏, 柯勇贯, 黄嘉豪, 李朝红
2019, 68 (4): 040306. doi: 10.7498/aps.68.20190147
摘要 +
量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量, 并利用量子效应提高测量精度的交叉科学. 随着超冷原子实验技术的发展, 超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台. 利用发展成熟的量子调控技术, 人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态. 基于多体量子干涉, 利用这些非高斯纠缠态作为输入, 可以实现超越标准量子极限的高精度测量. 本文简要综述这一研究领域的进展.
基于量子Fisher信息的量子计量进展
任志红, 李岩, 李艳娜, 李卫东
2019, 68 (4): 040601. doi: 10.7498/aps.68.20181965
摘要 +
量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域. 超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度, 这已经成为量子精密测量中的共识. 量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用. 本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容; 然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用, 特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定; 再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展; 最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.
超冷极性分子
鹿博, 王大军
2019, 68 (4): 043301. doi: 10.7498/aps.68.20182274
摘要 +
目前对超冷原子的研究已经从最初的原子分子物理扩展到了物理的很多分支. 极性分子可以将电偶极相互作用引入到超冷体系, 同时分子又与原子类似, 可以灵活地被光和其他电磁场操控, 因而很多理论工作都预言了超冷极性分子在超冷化学、量子模拟和量子信息等领域会有重要的应用. 但由于超冷基态分子的制备非常困难, 如何把超冷物理从原子发展到分子还是一个方兴未艾的课题. 过去的10年间, 各种分子冷却技术都取得了很大突破, 本文回顾了这些进展, 并着重介绍了基于异核冷原子的磁缔合结合受激拉曼转移这一技术, 该技术在制备高密度的基态碱金属超冷极性分子上取得了较大的成功. 本文也总结了超冷极性碱金属分子基本碰撞特性研究的一些实验结果.
极性分子的激光冷却及囚禁技术
陈涛, 颜波
2019, 68 (4): 043701. doi: 10.7498/aps.68.20181655
摘要 +
分子由于其不同于原子的特殊性质, 在原子、分子和光物理研究中有其独特的地位. 冷分子研究已经开展了二三十年, 取得了很多重大的进展. 但是以斯塔克减速器为代表的传统冷却方案遇到瓶颈, 很难进一步提高分子的相空间密度. 将原子中成熟的激光冷却技术拓展到极性分子中是本领域近年来的重大突破, 使得冷却和囚禁分子的范围得以大大扩展, 分子的相空间密度也得以提高. 本文对国内外激光冷却极性分子的最新成果进行综述, 并以BaF分子为例介绍激光冷却极性分子的相关理论和技术, 包括分子能级结构分析及精密光谱测量, 采用缓冲气体冷却进行态制备和预冷却, 以及通过冷分子束研究激光与BaF分子间的相互作用. 这些为后续开展激光冷却与囚禁实验研究奠定了基础, 也为开展其他新的分子冷却实验提供了参考.
光学微腔中一维费米气的磁性关联特性
冯彦林, 樊景涛, 陈刚, 贾锁堂
2019, 68 (4): 043702. doi: 10.7498/aps.68.20181954
摘要 +
对于准一维两组分费米气与光学微腔耦合的系统, 证明了微腔光子的超辐射可以驱动原子系统的磁性转变, 该磁性转变与原子的失谐以及费米子的填充数密切相关. 对于无相互作用原子气, 在超辐射相区内平均场近似合理. 基于该近似, 分析了不同的填充和失谐情况下体系的静态自旋结构因子, 由此刻画出腔光子协助的磁性关联转变, 并得到了依赖于微腔参数的相图. 最后, 对可行的实验参数做了相关讨论.

封面文章

光晶格中超冷原子系统的磁激发
赵兴东, 张莹莹, 刘伍明
2019, 68 (4): 043703. doi: 10.7498/aps.68.20190153
摘要 +
囚禁在光学晶格中的旋量凝聚体由于其长的相干性和可调控性, 使其成为时下热点的多比特量子计算的潜在候选载体, 清楚地了解该体系的自旋和磁性的产生和调控就显得尤为重要. 本文主要从理论上回顾了光晶格原子自旋链的磁性的由来和操控手段. 从激光冷却原子出发, 制备旋量玻色-爱因斯坦凝聚体, 并装载进光晶格, 最后实现原子自旋链, 对整个过程的理论研究进行了综述; 就如何产生和操控自旋激发进行了详细探讨, 其中包括磁孤子的制备; 讨论了如何将原子自旋链应用于量子模拟. 对光学晶格中的磁激发研究将会对其在冷原子物理、凝聚态物理、量子信息等各方向的应用起指导性作用.
用光晶格模拟狄拉克、外尔和麦克斯韦方程
朱燕清, 张丹伟, 朱诗亮
2019, 68 (4): 046701. doi: 10.7498/aps.68.20181929
摘要 +
相对论性量子力学波动方程, 如狄拉克、外尔和麦克斯韦方程, 是描述微观粒子运动的基石. 最近的实验和理论研究表明, 冷原子系统中几乎所有参数都可精确调控, 因此冷原子系统被认为是实现量子模拟的理想平台, 可以用来研究高能和凝聚态物理中的一些基本问题. 本文介绍了设计原子光晶格哈密顿量的思路和方法, 主要涉及激光辅助跳跃的理论. 基于这些方法, 物理学界提出了利用光晶格体系模拟相对论性量子力学波动方程, 包括狄拉克、外尔和麦克斯韦方程等, 并且预言了一些在基本粒子物理中很难观察到, 但在冷原子体系可能观察到的物理现象. 本文综述了国际上此领域的研究进展.
超冷费米气体的膨胀动力学研究新进展
刁鹏鹏, 邓书金, 李芳, 武海斌
2019, 68 (4): 046702. doi: 10.7498/aps.68.20182293
摘要 +
多体系统的非平衡动力学演化是当前物理学中最具挑战性的问题之一. 超冷量子费米原子气体具有较强的可控性, 是研究多体非平衡动力学的理想系统, 可以用来模拟和理解大爆炸后的早期宇宙、重离子碰撞中产生的夸克-胶子以及核物理等动力学. 一般多体系统演化是非常复杂的, 往往需要利用对称性来研究. 利用Feshbach共振可以制备标度不变的费米原子气体: 无相互作用和幺正费米量子气体. 当远离平衡态时, 可利用普适的指数和函数来刻画, 其动力学可以通过对系统的时空演化进行标度变换来识别. 本文主要介绍近年来强相互作用超冷费米气体的膨胀动力学研究进展, 包括原子气体的各向异性展开、标度动力学和Efimovian膨胀动力学.