【摘要】：在本篇論文中,我們主要研究了光學(xué)晶格中一維、二維和三維自旋軌道耦合的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和其誘導(dǎo)的新奇物理現(xiàn)象、拓?fù)涮匦?并且給出了實(shí)驗(yàn)探測(cè)的手段;以及spin-1/2系統(tǒng)中自旋軌道耦合誘導(dǎo)的磁性相變和spin-1系統(tǒng)中自旋張量角動(dòng)量耦合引發(fā)的大自旋磁性現(xiàn)象。具體內(nèi)容如下:1、研究了一維自旋軌道耦合中的對(duì)稱性保護(hù)拓?fù)鋺B(tài)。通過(guò)雙光子拉曼過(guò)程在一維光學(xué)晶格堿土或類堿土金屬原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了人造自旋軌道耦合。并且,結(jié)合軌道Feshbach共振技術(shù),調(diào)節(jié)堿土和類堿土金屬特有的自旋交換相互作用。通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)使其滿足單帶近似、緊束縛近似,從而得到了系統(tǒng)的哈密頓量。利用密度矩陣重整化群方法,計(jì)算了存在自旋軌道耦合和自旋交換相互作用系統(tǒng)的基態(tài)。發(fā)現(xiàn),基態(tài)中包含手征對(duì)稱性[U(1)×Z_2~T]保護(hù)拓?fù)鋺B(tài),這個(gè)拓?fù)鋺B(tài)中有費(fèi)米邊緣態(tài),且這一拓?fù)鋺B(tài)的拓?fù)洳蛔兞渴荶_4。通過(guò)變化相互作用各個(gè)分量的強(qiáng)度,我們還發(fā)現(xiàn)拓?fù)浞瞧接瓜嗟酵負(fù)淦接瓜嗟耐負(fù)湎嘧?并且繪制了豐富的相圖。2、討論了一維自旋軌道耦合中相互作用誘導(dǎo)的流。通過(guò)單光子過(guò)程實(shí)現(xiàn)了一維光學(xué)晶格中堿土和類堿土金屬原子的自旋軌道耦合,克服了堿金屬自旋軌道耦合拉曼過(guò)程發(fā)熱的問(wèn)題。將堿土和類堿土金屬原子的鐘態(tài)和自旋態(tài)分別視作兩個(gè)人造維度,引入堿土和類堿土金屬特有的在位自旋-交換相互作用。利用密度矩陣重整化群,數(shù)值計(jì)算基態(tài)中相互作用對(duì)無(wú)相互作用手性流的影響和其產(chǎn)生的新奇流特。發(fā)現(xiàn)自旋交換相互作用能夠誘導(dǎo)出新奇流,而且產(chǎn)生與奇異手性流密切相關(guān)的密度波序。3、提出了實(shí)現(xiàn)二維、三維自旋軌道耦合的可行性實(shí)驗(yàn)方案和拓?fù)涮卣鞯膶?shí)驗(yàn)探測(cè)方案。我們利用具有“魔幻”波長(zhǎng)的激光,構(gòu)造一個(gè)三維光學(xué)晶格。然后將鐘態(tài)激光分成四束激光束,以可調(diào)角度入射進(jìn)入原子團(tuán),產(chǎn)生態(tài)丨g〉和丨e〉之間的耦合,構(gòu)成高維自旋軌道耦合。通過(guò)調(diào)節(jié)鐘態(tài)激光的入射角度,在z軸方向上有分量則產(chǎn)生了三維自旋軌道耦合,在z軸方向上無(wú)分量則產(chǎn)生了二維自旋軌道耦合。三維自旋軌道耦合會(huì)誘導(dǎo)出不同數(shù)量的外爾點(diǎn),而且有不同類型的外爾點(diǎn)。不同拓?fù)潆姾芍g的外爾點(diǎn)之間被Fermi arcs連接起來(lái)。我們利用三個(gè)光譜學(xué)過(guò)程來(lái)探測(cè)二維Rashba自旋軌道耦合的拓?fù)淠軒Ш腿S外爾自旋軌道耦合的外爾點(diǎn)周圍的自旋分布。4、分析了一維光學(xué)晶格中的自旋軌道耦合排斥費(fèi)米原子系統(tǒng)的磁性。利用密度矩陣重整化群,數(shù)值計(jì)算體系基態(tài)的動(dòng)量空間粒子分布、能隙和自旋關(guān)聯(lián)函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合能夠引起奇異動(dòng)量空間粒子分布,且嚴(yán)重依賴于填充率。我們將這種具有奇異動(dòng)量空間粒子分布且能隙為零的金屬相稱為自旋軌道耦合誘導(dǎo)的金屬相。我們還發(fā)現(xiàn),自旋軌道耦合能夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基態(tài)從反鐵磁Mott絕緣體相變到鐵磁Mott絕緣體。自旋旋轉(zhuǎn)鐵磁Mott絕緣體和自旋軌道耦合誘導(dǎo)的金屬相之間的二級(jí)量子相變。自旋旋轉(zhuǎn)變現(xiàn)為最近鄰格點(diǎn)間之間的自旋取向既不是平行又不是反平行,而是之間有相對(duì)角度θ∈(0.π)。自旋結(jié)構(gòu)因子的峰值所對(duì)應(yīng)的動(dòng)量k_(peak)可以表示為相對(duì)角度。自旋結(jié)構(gòu)因子在實(shí)驗(yàn)上可以通過(guò)時(shí)間飛行圖像來(lái)探測(cè)。5、計(jì)算了spin-1系統(tǒng)中自旋張量角動(dòng)量耦合引發(fā)的大自旋磁性現(xiàn)象。Spin31系統(tǒng)的量子磁性不僅需要自旋-矢量還需要自旋-張量。特定形式的自旋-矢量序(鐵磁、螺旋等等)和自旋-張量(序向列受挫)被大量的研究,但是自旋-矢量和自旋-張量?jī)烧吖泊�、相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)卻還是研究的空白。我們?cè)谶@里,我們?cè)诶碚撋咸岢鲆粋�(gè)spin-1的海森堡鏈外加一個(gè)螺旋自旋-張量塞曼場(chǎng),并發(fā)現(xiàn)了新的量子螺旋自旋-張量序相。而且,該系統(tǒng)可以在超冷原子光學(xué)晶格實(shí)驗(yàn)中使用拉曼過(guò)程誘導(dǎo)出自旋-張量--動(dòng)量耦合實(shí)現(xiàn)。我們通過(guò)密度矩陣重整化群(DMRG)的計(jì)算,得到了基態(tài)相圖,并表征了自旋-矢量和自旋-張量序的共存及其之間的相互關(guān)系。我們的結(jié)果可以為探索大自旋系統(tǒng)中的新型磁序和自旋-張量電子或者原子電子學(xué)開(kāi)辟了道路。
【圖文】：

冷原子光學(xué)晶格實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造的不同種類光晶格的示意圖

一維光學(xué)晶格的能帶結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O43

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