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.
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.
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.
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.
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.
2019, 68 (4): 040305.
doi: 10.7498/aps.68.20181937
摘要 +
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.
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.
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.
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.
2019, 68 (4): 043701.
doi: 10.7498/aps.68.20181655
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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.
2019, 68 (4): 043702.
doi: 10.7498/aps.68.20181954
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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.
2019, 68 (4): 043703.
doi: 10.7498/aps.68.20190153
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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.
2019, 68 (4): 046701.
doi: 10.7498/aps.68.20181929
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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.
2019, 68 (4): 046702.
doi: 10.7498/aps.68.20182293
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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.
