發(fā)布時間：2020-11-04 04:43

　　 隨著磁阱蒸發(fā)冷卻、高分辨成像、光晶格等技術(shù)近幾年的快速發(fā)展,超冷量子氣體成為了當前進行多體、少體量子物理研究的理想實驗平臺。尤其是簡并費米量子氣體,通過可控的Feshbach共振技術(shù),可以精確控制原子間的相互作用,可以實現(xiàn)從無相互作用到強相互作用的多體量子系統(tǒng),研究新奇的相變,實現(xiàn)雙原子的分子玻色愛因斯坦凝聚對到BCS庫伯對之間的渡越,從而可以模擬核物質(zhì)、凝聚態(tài)物理以及夸克膠子等離子體等。特別地,當費米氣體處于Feshbach共振時,原子之間的散射長度趨于無窮大,為所謂的幺正區(qū)域,費米氣體之間的相互作用不再依賴于原子之間的散射長度,僅與系統(tǒng)的能量相關(guān),系統(tǒng)除了原子之間的間距,不再具有其他特征長度,系統(tǒng)體現(xiàn)出標度不變的對稱性,具有普適的熱力學特性。本論文主要是進行強相互作用的~6Li超冷費米氣體的動力學研究。實驗系統(tǒng)主要由超高真空、大功率倍頻激光冷卻系統(tǒng)、超穩(wěn)定交叉偶極阱偶極俘獲系統(tǒng)、高精度的Feshbach共振磁場以及適用于高場成像的高分辨吸收成像系統(tǒng)構(gòu)成。在博士期間參與了超冷量子氣體精密控制的實驗研究平臺的搭建,實現(xiàn)了費米~6Li的量子簡并和分子的玻色愛因斯坦凝聚。實現(xiàn)了真空度10~-1212 Torr的超高真空系統(tǒng),有效地降低背景氣體碰撞帶來的原子損失與加熱,為超冷費米氣體的制備提供了良好的實驗環(huán)境;針對~6Li原子的激光冷卻和俘獲的特點,發(fā)展了一套基于激光注入、Raman放大以及內(nèi)腔倍頻技術(shù)的輸出功率2.5 W的大功率671nm激光器系統(tǒng),簡化了~6Li原子激光冷卻的實驗裝置與操作過程,最終能夠獲取接近~6Li原子多普勒冷卻極限的大數(shù)目的冷原子;搭建了超穩(wěn)定交叉偶極阱偶極俘獲系統(tǒng),精確抑制了指向噪聲與功率噪聲,極大抑制了光場噪聲帶來的原子的加熱與損失,實現(xiàn)了~6Li冷原子的高效率裝載,原子的壽命可以達到近百秒;研制了一套高精度磁場系統(tǒng),磁場強度最高可達1500 G,通過電流控制和磁場探測反饋技術(shù)磁場穩(wěn)定精度約10 mG,可以精確操控原子間的相互作用強度,能夠覆蓋~6Li超冷費米氣體的BEC與BCS全部區(qū)域;高分辨吸收成像系統(tǒng)結(jié)合光場拍頻鎖定技術(shù),可以實現(xiàn)0-1500G磁場覆蓋區(qū)的~6Li超冷費米氣體的成像探測,準確的獲取原子氣體的信息。本論文主要聚焦于強相互作用的費米~6Li量子氣體開展多體系統(tǒng)的非平衡動力學以及有限時間的量子動力學研究。~6Li原子標度不變的多體量子系統(tǒng)中的Efimovian與Super-Efimovian非平衡膨脹動力學研究。根據(jù)幺正費米氣體和無相互作用費米氣體系統(tǒng)的標度不變性,通過控制費米量子氣體的外加諧振子勢阱頻率按照特定的時間函數(shù)變化,系統(tǒng)的動力學行為體現(xiàn)為離散的時間和空間的標度對稱性,這一非平衡膨脹動力學行為與玻色氣體中的三體Efimov效應具有非常相似的數(shù)學表示方式,實驗驗證了該動力學行為在標度不變的系統(tǒng)中具有時間反演對稱性;在Super-Efimovian非平衡膨脹動力學膨脹過程中測量了原子團的展開與時間成雙對數(shù)周期性關(guān)系,這一表現(xiàn)與費米氣體中的Super-Efimov效應的數(shù)學描述方式有一定的相似性。更重要的是Efimovian與Super-Efimovian非平衡膨脹動力學具有普適性,可以其他的標度不變的系統(tǒng)中觀察到。強耦合多體量子系統(tǒng)中超絕熱有限時間熱力學研究。利用標度不變的對稱性,極大的抑制了非平衡過程的量子耗散。根據(jù)強相互作用費米氣體的動力學演化,精確設計氣體的俘獲頻率,實現(xiàn)了幺正費米氣體在不同平衡態(tài)間快速絕熱轉(zhuǎn)移,同時證明了無相互作用和強相互作用的費米氣體可以服從同一個動力學的演化規(guī)律。研究了低溫超冷強相互作用費米氣體有限時間內(nèi)的膨脹和壓縮動力學,結(jié)合counterdiabatic驅(qū)動技術(shù),極大的抑制了由于非平衡動力學過程激發(fā)所產(chǎn)生的量子耗散,可以增加了多體系統(tǒng)的對外做功,研究了對外輸出功率波動和有限時間的關(guān)系,證實了其受限于Heisenberg不確定原理。在高溫下,量子粘度系數(shù)對費米氣體具有很大的影響。我們利用粘度流體動力學,研究了有限溫度下粘度系數(shù)在有限時間熱力學操控過程中的影響。研究發(fā)現(xiàn):對各向同性的費米氣體粘度系數(shù)沒有影響,而各向異性的費米氣體粘度系數(shù)增加了動力學過程中的量子耗散。近共振光與~6Li超冷原子間相互作用研究。采用單光子探測技術(shù),精密測量了近共振光在~6Li超冷費米氣體中傳播過程中D2線的吸收譜線,并統(tǒng)計了譜線的線寬隨原子密度及原子團的光學吸收深度變化趨勢,發(fā)現(xiàn)譜線線寬與光學吸收深度之間的依賴關(guān)系并不符合經(jīng)典的洛倫茲-洛倫茨理論,而是與引入光場誘導的偶極―偶極相互作用修正的自增寬理論相符合。本論文主要研究了強相互作用的超冷~6Li費米氣體,開展了標度不變費米氣體的Efimovian與Super-Efimovian非平衡膨脹動力學、強相互作用費米氣體的有限時間量子熱力學研究以及近共振光與~6Li超冷費米氣體相互作用的研究。研究結(jié)果呈現(xiàn)出新奇的動力學特性,為多體物理非平衡動力學以及多體量子熱機的研究打開了新的思路,具有示范性作用,為在高密度原子中開展的原子分子光物理的相關(guān)技術(shù)應用提供了有價值的參考。
【學位單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O413;O414.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 簡并超冷費米氣體
    1.2 超冷費米氣體中的非平衡動力學
    1.3 量子熱機與有限時間量子熱力學
    1.4 超冷量子氣體中的光和原子相互作用的研究與進展
    1.5 論文結(jié)構(gòu)
第二章 Feshbach共振技術(shù)與BEC-BCS渡越區(qū)域
Li的基本性質(zhì)與Feshbach共振'>    2.1 6^Li的基本性質(zhì)與Feshbach共振
Li原子的基本性質(zhì)'>        2.1.1 6^Li原子的基本性質(zhì)
Li原子的Feshbach共振與蒸發(fā)冷卻'>        2.1.2 6^Li原子的Feshbach共振與蒸發(fā)冷卻
    2.2 BEC-BCS渡越區(qū)域基本物理與幺正費米氣體
        2.2.1 BEC-BCS渡越區(qū)域
        2.2.2 S波散射理論
        2.2.3 幺正費米氣體與標度不變性
    2.3 本章小結(jié)
Li超冷費米氣體實驗系統(tǒng)'>第三章 6^Li超冷費米氣體實驗系統(tǒng)
Li超冷費米氣體的真空系統(tǒng)'>    3.1 6^Li超冷費米氣體的真空系統(tǒng)
        3.1.1 原子加熱爐
        3.1.2 超高真空主腔體系統(tǒng)
    3.2 磁場系統(tǒng)及其鎖定控制
        3.2.1 塞曼減速磁場
        3.2.2 磁光阱磁場系統(tǒng)與6Li原子Feshbach共振磁場及其控制系統(tǒng)
Li超冷費米氣體制備與探測的光路系統(tǒng)與激光穩(wěn)頻系統(tǒng)'>    3.3 6^Li超冷費米氣體制備與探測的光路系統(tǒng)與激光穩(wěn)頻系統(tǒng)
Li冷原子的俘獲與冷卻激光及其穩(wěn)頻系統(tǒng)'>        3.3.1 6^Li冷原子的俘獲與冷卻激光及其穩(wěn)頻系統(tǒng)
        3.3.2 遠失諧偶極阱光路系統(tǒng)
        3.3.3 成像系統(tǒng)光路及其激光器穩(wěn)頻技術(shù)
Li簡并費米氣體與分子的玻色愛因斯坦凝聚實現(xiàn)'>    3.4 6^Li簡并費米氣體與分子的玻色愛因斯坦凝聚實現(xiàn)
        3.4.1 蒸發(fā)冷卻
Li原子量子簡并'>        3.4.2 6^Li原子量子簡并
Li₂分子的玻色愛因斯坦凝聚實驗'>        3.4.3 6^Li₂分子的玻色愛因斯坦凝聚實驗
    3.5 超冷費米氣體的偶極阱頻率測量
        3.5.1 參量共振模式頻率測量方法
        3.5.2 集體激發(fā)模式頻率測量方法
    3.6 本章小結(jié)
第四章 標度不變簡并費米氣體的Efimovian與 Super-Efimovian非平衡膨脹動力學研究
    4.1 超冷費米氣體的膨脹動力學理論
        4.1.1 無相互作用的超冷費米氣體膨脹動力學理論
        4.1.2 強相互作用費米氣體的膨脹動力學理論
    4.2 超冷費米氣體中Efimovian非平衡膨脹動力學研究
        4.2.1 超冷費米氣體中的Efimovian非平衡膨脹動力學理論
        4.2.2 超冷費米氣體中的Efimovian非平衡膨脹動力學的實驗驗證
    4.3 超冷費米氣體中Super-Efimovian非平衡膨脹動力學研究
        4.3.1 Super-Efimovian非平衡膨脹動力學理論
        4.3.2 Super-Efimovian非平衡膨脹動力學實驗研究
    4.4 本章小結(jié)
第五章 超冷費米氣體的有限時間熱力學特性研究
    5.1 幺正費米氣體的快速量子絕熱轉(zhuǎn)移研究
        5.1.1 幺正費米氣體的快速量子絕熱轉(zhuǎn)移理論
        5.1.2 幺正費米氣體中快速量子絕熱轉(zhuǎn)移實驗研究
    5.2 幺正費米氣體超絕熱有限時間量子熱力學研究
        5.2.1 無量子摩擦超絕熱有限時間的量子熱力學過程理論設計
        5.2.2 無量子摩擦超絕熱有限時間量子熱力學過程實驗驗證
    5.3 粘滯阻力對超絕熱有限時間熱力學過程的影響
        5.3.1 各向同性超絕熱有限時間熱力學控制方案設計
        5.3.2 粘滯阻力對超絕熱有限時間熱力學實驗操控的影響
    5.4 本章小結(jié)
Li超冷費米氣體中傳播的實驗與理論研究'>第六章 近共振光在6^Li超冷費米氣體中傳播的實驗與理論研究
    6.1 近共振光在介質(zhì)中傳播的理論
    6.2 近共振光在6Li超冷費米氣體中傳播的實驗研究
    6.3 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 研究工作總結(jié)
    7.2 研究工作展望
參考文獻
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本文編號：2869631