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青年科学评述:自旋轨道耦合量子气体中的一些新进展

已有 693 次阅读 2020-1-22 17:22 |系统分类:论文交流

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自旋轨道耦合量子气体中的一些新进展

施婷婷, 汪六九, 王璟琨, 张威

物理学报. 2020, 69 (1): 016701


文章导读

自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)是指一个物体的自旋角动量和轨道角动量之间的耦合。在经典物理中,一个熟悉的例子是潮汐锁定:月球的自转角动量和绕地球的公转角动量通过潮汐力相互耦合,最终锁定为相同的运动周期。相似地,在原子物理中,自旋轨道耦合是指电子的自旋角动量和绕原子核的轨道角动量发生耦合,形成原子的精细结构劈裂。自旋轨道耦合的定义还可以进一步推广为一个物理系统的内部自由度和外部自由度之间的耦合。例如在凝聚态物理中,电子自旋和Bloch波矢之间的关联也被称为自旋轨道耦合。不同类型、不同强度的SOC不仅会显著影响材料中电子的运动,还能够改变系统的拓扑性质。


模拟人造规范势最自然的方法就是改变中性原子的动力学行为,比如通过某些外力例如旋转、原子与光的相互作用等在电磁场中移动电荷。近年来,利用原子与光之间的相互作用,人们在冷原子系统中实现了人造的SOC效应。在这类实验中,原子通过吸收和放出光子,从一个内态跃迁到另一个内态,同时经过与光子的反冲获得动量的改变。经过这一过程,原子的内部自由度和平动的外部自由度形成了耦合。由于SOC会对单粒子的色散关系产生非微扰的影响。因此在玻色系统中,SOC会显著改变BEC的性质。在费米系统中,SOC和体系的拓扑性质紧密相关。


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近年来对具有SOC的超冷原子气体的研究衍生出了一些新的方向,包括在非平衡态系统、大自旋体系、拥有长程相互作用的体系、以及具有轨道自由度和轨道Feshbach共振的类碱土金属原子系统。本文首先对超冷原子气体中实现的人造规范势和人造自旋轨道耦合进行介绍。文章第三节将关注光学微腔中的准一维费米气体,介绍该系统中发生超辐射相变之后所诱导出的新奇拓扑超辐射态。第四节考虑具有轨道Feshbach共振的类碱土金属原子,讨论其中可能出现的费米对称性保护拓扑态。第五节介绍具SU(3)类型自旋轨道耦合的大自旋玻色系统,以及其中新奇的拓扑缺陷,即自旋双涡旋。第六节介绍同时具有软核长程相互作用和自旋轨道耦合的二维玻色-爱因斯坦凝聚中的手性对称破缺的超固体相。本文所涉及内容都是由冷原子系统所特有的物理要素所派生的新问题,体现了冷原子物理的特色。


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作者介绍

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张威, 中国人民大学物理系教授,博士生导师。主要从事原子分子物理和量子信息领域的理论研究,在国际期刊发表学术论文60 余篇,出版英文教材和专著3 部, 翻译出版多部科普作品。先后入选教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星、国家自然科学基金委优秀青年科学基金、教育部长江学者奖励计划青年学者等人才计划, 并获霍英东优秀高校青年教师一等奖、宝钢优秀教师奖、北京市优秀教师和北京市师德先锋等奖励。此外关注科学普及和科学知识传播工作, 翻译出版多部科普作品, 其中《爱因斯坦的望远镜》获2011 年度新闻出版总署“大众喜爱的五十种图书”和国家图书馆“文津图书奖推荐书目”。



青年科学评述 栏目2018年创建,刊发华人数理领域青年科研人员研究工作的短篇综述论文,以青促会成员的优秀工作为主。本栏目第一届特约栏目编辑由中国科学院物理研究所罗会仟、中国科学院云南天文台常亮、中国科学院数学与系统科学研究院刘歆、中国科学院国家授时中心张晓斐担任。


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