本文關(guān)鍵詞：強(qiáng)相互作用超冷費(fèi)米氣體的膨脹動(dòng)力學(xué)研究　出處：《華東師范大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近二十年以來超冷費(fèi)米氣體得到了迅猛的發(fā)展,磁阱蒸發(fā)冷卻、玻色子協(xié)同冷卻、全光俘獲等各種技術(shù)使得人們可以獲取納開皮開量級的超冷原子和分子,打開了一扇通往費(fèi)米氣體微觀量子世界的大門。磁場和光場可控的Feshbach共振可以精確的調(diào)控原子間的相互作用,可以用來研究分子凝聚、費(fèi)米共振超流、模擬凝聚態(tài)物理。通過調(diào)控原子間的散射長度,已實(shí)現(xiàn)理論上三十年前預(yù)測的而沒在實(shí)驗(yàn)上觀察到的分子的玻色愛因斯坦凝聚(BEC)和原子對的BCS超流的渡越(BEC-BCS crossover)。特別地,當(dāng)費(fèi)米原子處于散射共振時(shí),超冷的費(fèi)米氣體相互作用強(qiáng)度趨于無窮,費(fèi)米多體系統(tǒng)除原子間的距離外不再具有特征長度,表現(xiàn)出普適的熱力學(xué)特性,是目前所發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)相互作用的超流體,具有標(biāo)度不變性的對稱性。在這樣的標(biāo)度不變的超冷費(fèi)米氣體中,通過精確調(diào)控外加俘獲勢和原子間相互作用強(qiáng)度,構(gòu)成了一個(gè)測試基本的少體和多體物理的理想系統(tǒng)。本論文主要是研究強(qiáng)相互作用超冷費(fèi)米氣體的普適膨脹動(dòng)力學(xué)。設(shè)計(jì)并搭建了超冷費(fèi)米原子和玻色分子精密操控的實(shí)驗(yàn)研究平臺,實(shí)現(xiàn)了全光俘獲的雙成份的6Li原子的費(fèi)米簡并和分子的玻色愛因斯坦凝聚,研究了費(fèi)米共振超流。本平臺主要由大功率的冷卻激光系統(tǒng)、超高的真空系統(tǒng)、超穩(wěn)的偶極俘獲系統(tǒng)和高分辨的成像探測系統(tǒng)組成。針對6Li原子激發(fā)態(tài)能級不可分辨、反沖動(dòng)量大難以激光冷卻困難的問題發(fā)展了一套新的激光系統(tǒng),采用種子光注入、Raman光纖放大和內(nèi)腔倍頻的方案,獲取了 2.5W的激光輸出功率,簡化了實(shí)驗(yàn)條件,避免了冗雜繁瑣的實(shí)驗(yàn)裝置所帶來的操作困難,獲取了接近多普勒冷卻極限的109大數(shù)目冷原子;實(shí)驗(yàn)上超高真空近10-12托爾,有效抑制了背景氣體碰撞所帶來的原子損失和背景加熱,結(jié)合所發(fā)展的超穩(wěn)定大功率偶極俘獲,實(shí)現(xiàn)了冷原子的高效裝載,原子的壽命可達(dá)近百秒,為超冷費(fèi)米氣體的制備提供先決條件;設(shè)計(jì)及發(fā)展了一套可以快速開關(guān)的大磁場強(qiáng)度(可達(dá)1200高斯)的Feshbach共振線圈,磁場穩(wěn)定度優(yōu)于10毫高斯,可以精確的控制原子間的相互作用強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)分子的玻色愛因斯坦凝聚和原子對的BCS超流的渡越。在已實(shí)現(xiàn)的超冷強(qiáng)相互作用的原子系統(tǒng)基礎(chǔ)上,在標(biāo)度不變的么正(散射長度無窮大)和無相互作用的費(fèi)米原子氣體中,發(fā)現(xiàn)了新奇的動(dòng)力學(xué)膨脹現(xiàn)象,研究了其普適的膨脹動(dòng)力學(xué)行為。當(dāng)外加諧振子勢的頻率變化為時(shí)間的倒數(shù)時(shí)且頻率的變化曲線越過一臨界點(diǎn)時(shí),費(fèi)米原子氣體膨脹的連續(xù)性對稱性變?yōu)殡x散對稱性,其動(dòng)力學(xué)膨脹過程出現(xiàn)一系列離散的量子化臺階,此臺階呈現(xiàn)為時(shí)間和空間等比數(shù)列。這一獨(dú)特的膨脹動(dòng)力學(xué)巧妙地聯(lián)系到70年代所預(yù)測的著名的量子三體Efmov效應(yīng),重要的是這一效應(yīng)是普適的,可以在其他的標(biāo)度不變的系統(tǒng)中觀察到,比如二維的量子氣體和一維的Tonks氣體等。本論文另一個(gè)動(dòng)力學(xué)研究是在超冷費(fèi)米原子氣體中實(shí)現(xiàn)了量子絕熱捷徑。我們第一次在強(qiáng)相互作用的量子流體中實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)間的快速絕熱操縱,通過改變外加的俘獲勢,原子的多體態(tài)可以快速的變?yōu)榱硪粋�(gè)態(tài)而沒有經(jīng)歷激發(fā);通過一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)證明了操縱過程中的熵保持不變;在無相互作用的費(fèi)米氣體中測試了其動(dòng)力學(xué)量子絕熱捷徑的普適性。該操控方案使用非絕熱的手段達(dá)成快速絕熱的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?適用于所有標(biāo)度不變的量子多體系統(tǒng),對于研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米氣體的平衡動(dòng)力學(xué)演化有著重要意義。本論文主要通過可控的原子相互作用和外加俘獲勢研究強(qiáng)相互作用超冷費(fèi)米氣體的平衡熱力學(xué)特性以及非平衡動(dòng)力學(xué)。特別地研究了標(biāo)度不變的量子多體系統(tǒng)的Efimovian膨脹和量子絕熱捷徑,可以打開新的研究視野,為將來研究對稱破缺或量子熱化等新奇的多體動(dòng)力學(xué)奠定了重要的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O469

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本文編號：1321366