项目名称基于超冷原子分子体系的新物态和量子仿真研究首样本

项目名称：基于超冷原子、分子体系新物态和量子仿真研究首席科学家：刘伍明中华人民共和国科学院物理研究所起止年限：.1至.8依托部门：中华人民共和国科学院

二、预期目的本项目总体目的：超冷原子、分子物理及其量子调控技术关系到国家安全和将来高新科学技术发展，在国民经济可持续发展战略中占有非常重要地位。本项目紧密环绕量子调控前沿领域，在已有4个玻色—爱因斯坦凝聚实验平台上，发展新量子调控手段和新测量技术，构建老式方式难以实现几何构型、维数、互相作用形式以及丰富内部自由度可调控量子多体系统，发现新颖量子现象，研究新物态及其物理规律。通过建立超冷原子、分子凝聚体实验平台，研究外加光场、磁场等与冷原子、分子体系互相作用以及对量子态调控。发展精密测量新原理和新办法，进行量子仿真和新型量子器件研究。通过本项目实行和课题组之间有机合伙，做出在国际上有影响原创性工作，培养一批具备国际竞争力创新人才，提高国内冷原子、分子物理整体水平并使之步入国际先进行列，为国内在将来国际高新科学技术激烈竞争中赢得一席之地做出重要贡献。五年预期目的：（1）建立光晶格中超冷原子实验平台，掌握Feshbach共振变化原子间散射长度，以及光晶格几何构造和维度调节实验技术，发展光晶格中冷原子超辐射散射、Raman散射高敏捷探测办法，实现光晶格系统中冷原子关联效应和动力学特性量子调控。（2）实现一维光晶格中自旋量子态，仿真Hubbard模型。揭示一维凝聚体从环状到铁磁态、反铁磁态以及二维凝聚体从奈尔态到自旋液体态、共线态相变机理。（3）运用既有BEC装臵在光学调控自由度方面优势，建立国际一流低维量子体系实验平台。同步发展超高空间辨别率原位测量系统，搭建空间辨别率为2微米光学吸取成像系统。（4）实现超冷原子气体维度渡越，研究系统从无序向有序转变过程，元激发从spinon到magnon演化过程。通过操控外磁场，观测铁磁系统中磁畴演化，以及涡旋等拓扑元激发特性。产生无序势，调控延展态、局域态、玻色玻璃态。（5）建立简并原子气体人造规范势实验平台；掌握阿贝尔/非阿贝尔人造规范势、新颖周期性有效磁场、高强度有效磁场实验技术；实现人造规范势中简并原子气体量子涡旋与涡旋晶格，明确玻色量子霍尔态、分数量子霍尔态、阿贝尔/非阿贝尔任意子、磁单极子等拓扑态实验机制；理论上掌握各种拓扑态数值计算办法，结合实验研究各种拓扑态基本性质。（6）基于人造规范势中简并原子气体拓扑态，实现对分数量子霍尔效应量子仿真应用；研究拓扑绝缘体实验机制及其在信息存储方面应用；基于阿贝尔和非阿贝尔任意子，研究其在拓扑量子计算方面应用。（7）建立超冷极性分子实验平台。实现混合气体共同冷却、俘获和深度冷却，即实现Rb、Yb原子和Li、Cs原子磁光阱和光偶极阱；在偶极阱中实现两种组份原子气体共同俘获和深度冷却。在此基本上，运用两种原子间超冷碰撞、光缔合、Feshbach共振等特性，摸索获得超冷RbYb分子以及超冷LiCs分子技术办法，获得超冷极性分子。（8）揭示超冷原子分子体系量子关联特性，以及旋量简并气体中激化催化自旋混合动力学行为和特性，发展基于原子—分子暗态量子光存储与调控理论；掌握和发展超冷分子精密操控技术，为极性分子动力学、超冷化学等研究奠定基本。五年期间预期在国际一流与重要学术刊物上(例如Phys.Rev.)刊登高质量学术论文200篇以上，其中在Nature，Science，NaturePhysics和Phys.Rev.Lett.刊登论文10篇以上，申请国家创造专利8项以上。培养5名左右国家杰出青年科学基金获得者、长江学者、百人筹划、教诲部新世纪人才等中青年学术带头人，培养60多名博士生和20多名博士后。

三、研究方案本项目整体学术思路是在已有冷原子体系实验平台上，运用新量子调控手段和新测量技术，构建老式方式难以实现光晶格几何构型、原子互相作用形式以及丰富内部自由度可调控量子多体系统，研究新颖量子态和奇异物性，仿真Hubbard模型、低维量子磁性系统和规范场；制备超冷极性分子并研究其物性；突破既有实验中核心技术，发展新量子调控手段，摸索新型量子控制器件，如图1所示。图1本项目整体学术思路和技术途径详细技术途径：1．光晶格中超冷原子实验平台和量子关联效应。运用精密激光系统和超高真空装臵得到稳定光学晶格系统，建立凝聚态系统模仿实验平台。光晶格系统将采用850nm红失谐激光（原子捕获在光强极大值处），形成光晶格，研究原子关联和输运等物理性质。咱们量子调控重要涉及：（1）运用Feshbach共振变化原子间散射长度，从吸引到排斥，从弱互相作用到强互相作用；（2）运用激光束把原子束缚在光格子周期势阱谷底从而加强原子间局域互相作用，把冷原子系统限制在一维、二维或三维空间中，研究不同维度下量子特性变化；（3）调节激光波长，研究晶格参数对量子态影响；（4）研究具备不同几何构造光晶格冷原子系统中量子态。在此基本上，构建阻挫相（FrustrationPhase）与环状态(CyclicState)等国际上尚未开展研究奇异“物质”。关于阻挫相咱们重要运用铷原子玻色气体建立二维光晶格，调节不同方向光晶格激光光强，以变化不同方向光晶格原子之间隧穿粒子流。咱们将运用二维光晶格来模仿这种新“物质”状态，并研究它们相变机理。关于环状态，咱们研究重要运用铷原子玻色气体建立一维光晶格，将玻色原子制备在F=2态上，通过调节磁场强度，调节原子散射长度，从而变化光晶格中原子间互相作用。咱们将运用一维光晶格来模仿这种新量子物质状态，并研究它们相变机理。通过超辐射散射、Raman散射等办法探测各种奇异物态相变。研究凝聚体在不同量子态下与光场互相作用，寻找不同动量散射物理机理。通过对光信号合伙辐射放大探测手段和方式，测量原子关联效应以及动力学特性。当前普通使用吸取成像法来计算原子数目和温度以及原子空间分布，这种办法缺陷是破坏性探测，并且受衍射极限影响，辨别率不高，涨落比较大。但愿通过对原子散射光探测或者用辅助泵浦光将原子激发到其他态荧光信号，这种新探测方式和吸取成像方式共同使用对下面过程进行探测：（1）物质波光栅、散射光波光栅、驻波光场三者之间互相作用；（2）相干物质波和光波之间耦合演化过程；（3）原子或者光子携带信息在物质波和光波之间互相传递。另一方面，通过原子在红蓝失谐光晶格中光频移特性，以及光学晶格中由于光场涨落而导致局域化量子态研究。2．低维简并气体量子磁性和无序效应仿真平台以及超高辨别率原位测量技术。发展超高辨别率原位成像技术。惯用BEC吸取成像装臵由于光学数值孔径限制，成像辨别率普通在5－10微米，并且对于吸取成像技术来说吸取率太大，无法对BEC进行原位成像。通过大幅度提高成像系统数值孔径，将BEC成像辨别率提高到1微米左右，同步通过将原子束缚在低维系统中，增长BEC尺寸，使吸取率减少到适合吸取成像范畴，从而可以原位观测BEC密度分布和涨落。与原则飞行时间测量办法相比，原位测量大大丰富了从BEC中提取物理信息能力，特别是对某些非周期性量子态（如铁磁体磁畴）观测具备不可代替意义。维度对简并量子气体性质影响很大，在普通凝聚态物理实验上难以得到维度可调实验样品。而在超冷原子系统中可以实现各种维度简并量子气体，并观测各种系统性质在维度渡越过程中变化，因此在维度有关性质研究中具备不可代替优势。无序即混乱无规则状态。无序种类和特性可以依照光晶格被破坏方式和限度来定义，涉及臵换无序、拓扑无序等。调控带自旋超冷原子系统延展态和局域态，研究局域态和延展态之间相变，以及它们和系统维数关系，研究局域化长度与平均自由程关系。3．人造规范势实验平台和有关量子拓扑效应。（1）玻色铷原子简并气体和费米镱原子简并气体人造规范势：人们已经从理论上明确了人造规范势基本原理，即：运用激光场与原子内态耦合以产生Berry相位，而Berry相位导致随空间变化等效矢量势；这种空间依赖关系或者来源于激光强度空间分布，或者来源于激光与原子失谐量变化。本项目中，咱们拟运用铷原子与镱原子型能级构造(S=1/2)与一对拉曼光形成阿贝尔规范场；还可以运用铷原子Tripod型能级构造(F=1)以及三束耦合激光形成两个简并暗态，并通过控制激光强度分布等产生非阿贝尔规范场。（2）量子涡旋形成与探测：量子涡旋是由规范场相应有效磁场产生激发态，其探测办法普通是用常规吸取成像技术来记录自由飞行之后原子密度分布。对于一维光晶格系统中涡旋阵列，原子云密度分布也许无法反映涡旋存在，但咱们此前理论工作表白可以通过原子云密度—密度关联提取涡旋信息。此外，制造有效磁场激光耦合了原子不同磁子能级，因此涡旋激发实验不适当在普通静磁阱中实行；咱们拟将铷原子BEC转移到大失谐光阱中。波长为1.06微米大功率(10W以上)单纵模激光器可用来囚禁铷原子BEC，还可以做为光晶格光源。（3）费米镱原子简并气体实验：通过镱原子塞曼减速与两级激光冷却，咱们已经获得温度100K量级镱原子气体。进一步用波长532nm高功率激光实现远失谐光阱（FORT），高斯光束聚焦后可以获得深度达到mK量级光阱。蒸发冷却可以通过逐渐减少光阱深度办法进行，使原子云温度减少到1K甚至更低。费米同位素171Yb蒸发冷却可以借助于两种不同自旋组份原子之间s波碰撞。另一种可行方案是运用费米同位素与玻色同位素之间s波碰撞实行协同冷却，在足够低温度下可以获得费米—玻色混合简并气体。（4）高强度有效磁场：对于简并玻色气体，采用两束移动和交叉周期激光，可以实现制备玻色量子霍尔态所需高强度有效磁场。对于费米镱原子简并气体，运用较弱互合跃迁(1S0-3P1)产生极大抑制光子散射暗态，从而得到具备量子相干性高强度有效磁场，实现分子量子霍尔态需要高填充因子（例如5/2填充因子）；对于171Yb费米气体而言，超低温下费米子泡利阻塞效应极大抑制了原子碰撞效应，也有助于保持人造规范势相干性。4.超冷极性分子实验平台。运用超冷混合原子气体，甚至是混合量子简并气体，通过光晶格、光缔合和Feshbach共振等量子调控手段，可以将超冷原子混合气体制备成超冷极性分子，带来与原子气体完全不同各向异性长程互相作用，为量子模仿提供丰富研究体系。咱们将对Rb和Yb原子混合量子简并气体进行实验和理论研究。重要从两个方面展开：运用Rb和Yb混合量子简并气体进行量子模仿。例如，运用不同光晶格对两种原子进行分别控制，用Yb原子蓝光共振性作为“量子探针”对Rb量子拓扑型激发进行高辨别观测；运用Yb原子对磁场不敏感特点，对Rb和Yb进行分别全局量子操作和瞬间分离，分析量子动力学系统此前无法观测到瞬态现象。运用价电子数差别，构造更为复杂可控量子系统，对某些新颖量子现象进行模仿。理论分析表白，像RbYb这样异核重原子混合是最有效增强EDM效应办法。咱们将运用Rb和Yb合成超冷极性分子，研究极性分子长程互相作用及有关物性。（1）获得Rb和Yb原子混合量子简并气体技术路过如下：（i）分别建立Rb原子和Yb原子塞曼冷却器和磁光阱。用780nm激光对Rb原子实现塞曼冷却器和磁光阱，并通过四极磁阱和光偶极阱构成混合势阱中实现BEC。用1064nm激光构建Rb原子光学晶格和无序光晶格，研究Rb原子BEC量子输运性质。（ii）用399nm蓝色激光实现Yb原子塞曼冷却器，用556nm绿色激光实现Yb原子磁光阱，用1064nm激光分别将Yb原子俘获到光偶极势阱中。（iii）改建并连接两套系统，对Rb、Yb原子同步进行磁光阱冷却和光偶极囚禁，并实现两个组份原子混合，对Rb原子进行蒸发冷却，并通过协同冷却同步减少Yb原子温度。通过光缔合或Feshbach共振等技术，在光偶极阱或光学晶格中形成超冷RbYb分子。（2）获得Li和Cs原子混合量子简并气体技术路过如下：（i）用671nm激光实现Li原子塞曼减速器和磁光阱；用852nm激光实现Cs原子二维磁光阱和磁光阱，用1064nm激光形成光偶极势阱对Li、Cs原子进行囚禁，通过蒸发冷却使得Cs原子简并。用Cs原子协同冷却Li原子使其达到量子简并。（ii）使用大磁场使得Li、Cs原子形成Feshbach共振分子，然后使用相干双光子过程（pump-dump）形成基态强绑定分子。运用外场调节分子分子互相作用，使得蒸发冷却可以进行，从而达到较高相空间密度，实现超冷分子量子相变。（iii）将超冷分子导入光晶格，研究冷分子在光晶格中相变过程与参量响应。减少Cs原子密度而使之形成随机散射点，研究锂原子在随机散射场里渗流相变过程。本项目创新点与特色：（1）咱们调控对象一是具备宏观量子相干性量子简并气体，二是具备大极性由超冷原子合成新型分子。（2）新量子调控手段，如规范势，维度控制和内态操控等。（3）新实验办法，如运用超辐射观测量子相变，运用超高辨别率（1-2微米）原位测量技术观测磁畴，运用新人造规范场技术研究拓扑态，制备大极性RbYb分子等。（4）注重研究新物理问题。本项目所涉及超冷原子系统玻色量子霍尔态、阻挫量子相变、维度和磁有序竞争，电偶长程作用各向异性效应等是理论上已有一定研究，但实验上尚有待摸索课题。（5）强调理论和实验紧密结合。本项目不单独设立理论课题，理论工作者直接融入各实验课题，配合并指引实验。（6）多学科有机交叉。运用可控冷原子冷分子系统进行量子仿真，可以充分研究诸多在自然界系统中无法调控物理量，发掘其物理规律和本质。同步又可以研究量子力学基本问题，反映出粒子量子特性。本项目将原子分子物理、量子光学、凝聚态物理、记录物理和量子信息等学科有机地结合了起来。本项目可行性分析：（1）研究队伍实力雄厚，学术氛围良好。项目构成员都是从事冷原子分子研究第一线科研人员。人员构造合理，有院士、杰青、百人，兼顾了历史延续和老中青结合。研究人员实力很强，队伍团结，协作密切。（２）前期工作积累深厚，在某些实验技术上达到了国际先进水平。项目构成员近年来始终从事冷原子实验和理论研究，进入该领域国际研究前沿。在实验技术上，咱们已经搭建了4个具备国际先进水平冷原子实验平台。咱们多项工作已在国际上产生重大影响，在国际权威杂志Phys.Rev.Lett.上刊登了30多篇论文。近年来，项目承担单位上海光机所、北大、清华、武汉物理所、北京应用物理与计算数学研究所和物理所都投入了大量人力、物力和财力，为本项目实行打下了可靠基本。（3）理论实验互相增进。咱们理论工作预言曾被国际上其他小组实验证明。例如，咱们预言光晶格中冷原子在能带间量子隧穿效应[W.M.Liuetal.，PRL88，170408()，被SCI她引102次]在被意大利佛罗伦萨大学G.M.Tino专家实验证明[V.V.Ivanovetal.，PRL100，043602()]。咱们理论正在和咱们当前实验有机结合。（4）各课题组联系密切。本相目六家研究单位已经建立了良好合伙关系，在平时合伙中可以做到互通有无，取长补短，互相影响，共同进步。例如，北京大学得到了初步实验成果后，邀请物理所理论研究人员进行解释，并指引下一步实验，已有某些合伙成果刊登，较早有：W.D.Li，X.J.Zhou，Y.Q.Wang，J.Q.Liang，W.M.Liu，Phys.Rev.A64，015602()；较近有：X.F.Zhang，Q.Yang，J.F.Zhang，X.Z.Chen，W.M.Liu，Phys.Rev.A77，023613()。又例如，北京大学和北京应用物理与计算数学研究所也有密切合伙，关于玻色—爱因斯坦凝聚宏观量子隧穿和集体激发研究成果刊登在G.F.Wang，D.F.Ye，L.B.Fu，X.Z.Chen，andJ.Liu,Phys.Rev.A74，033414()和G.Q.Li，L.B.Fu，J.K.Xue，X.Z.Chen，andJ.Liu.Phys.Rev.A74，055601()。另一方面，物理所在搭建冷原子实验平台时北京大学也提供了很有益处实验技术支持。（5）研究物理问题新颖、迫切，并且近期有也许获得突破。项目构成员充分调研了本学科国际研究现状和发展趋势，结合国家发展战略需要，以及自己特色和长处，并考虑到近期完毕也许性，精心制定了研究问题。新颖量子态如玻色量子霍尔态，多组份费米子配对态等都是量子多体理论中非常关怀科学问题，在凝聚态物理中缺少充分有效研究手段，冷原子系统由于参数可调等众多长处，提供了一种较好模仿平台。超冷极性分子制备和物性研究在国际上尚处在起步阶段，咱们但愿结合咱们长处，在这方面作出国际领先工作。（6）研究方案详细，切实可行。本项目构成员近年来始终研究冷原子系统，玻色—爱因斯坦凝聚以及原子和光互相作用等，有丰富研究经验。研究路线通过项目构成员和某些研究专家集中讨论，仔细规划。咱们充分结识到了在本项目执行时会遇到核心技术问题，制定了相应解决方案，涉及真空系统，光学系统，甚至激光详细参数。有先进冷原子分子实验平台，新调控手段，理论和实验紧密结合与互相增进，咱们一定会在超冷原子、分子新颖量子态和量子仿真研究方面获得突破性进展，推动国内冷原子物理发展。课题设立本项目由中华人民共和国科学院物理研究所、中华人民共和国科学院上海光学精密机械研究所、中华人民共和国科学院武汉物理与数学研究所、北京大学、清华大学和北京应用物理与计算数学研究所共同承担。本项目核心科学问题是，在超冷原子、分子以及玻色-爱因斯坦凝聚体实验平台上，发现具备不同几何构造、维度、组份、互相作用、自旋等参数超冷原子、分子系统中新颖量子态和奇异物性，研究外场与超冷原子、分子体系互相作用以及对量子态调控机理，发展新检测、表征和调控技术，攻克超冷原子、分子系统量子仿真及其新型量子器件中重大科学与技术问题，为冷原子、分子物理量子调控奠定基本原理和核心技术基本。本项目分为如下四个课题：课题1：光晶格中超冷原子关联效应与量子相变研究；承担任务：1.光晶格超冷原子人造凝聚态系统实验平台；2.光晶格中超冷原子关联特性探测新办法；3．光晶格中超辐射与量子相变测量；4．光晶格中超冷原子钟跃迁频率精密测量经费比例：24%承担单位：北京大学、清华大学课题负责人：陈徐宗学术骨干：李家明、王义遒、刘新元、周小计课题2：简并气体量子磁性和无序性质研究；承担任务：（1）建立低维超冷原子实验平台。运用咱们既有BEC装置在光学调控自由度方面优势，建立国际一流低维可调控量子多体系统实验平台。（2）发展超高空间辨别率原位测量技术，建立辨别率达到微米量级光学吸取成像系统，用于直接观测低维量子简并系统密度分布及其涨落。（3）通过调控实验参数，实现物理系统维度渡越，揭示量子磁性系统有序无序转变过程，以及元激发演化过程。通过观测超冷原子铁磁系统中磁畴演化，以及涡旋等拓扑元激发特性，揭示无穷阶相变序参量和标度行为。（4）运用无序势，实现Anderson局域化，进一步揭示互相作用对Anderson局域化影响；调控延展态和局域态，模仿无序自旋系统，实现自旋玻璃态。经费比例：30%承担单位：中华人民共和国科学院物理研究所、清华大学课题负责人：刘伍明学术骨干：李师群、翟荟、王如泉、汪汉廷课题3：人造规范势中简并原子气体拓扑性质研究；承担任务：1.玻色铷原子简并气体和费米镱原子简并气体人造规范势；2.量子涡旋形成与探测；3．费米镱原子简并气体实验；4．高强度有效磁场制备。经费比例：22%承担单位：中华人民共和国科学院武汉物理与数学研究所、北京应用物理与计算数学研究所课题负责人：吕宝龙学术骨干：刘杰、熊宏伟、傅立斌、余永乐课题4：超冷极性分子气体制备及其物性研究。承担任务：（1）Rb、Yb原子共同冷却、俘获和混合实验办法；（2）Rb、Yb原子超冷碰撞参数测量，RbYb分子形成和进一步冷却实验办法；（3）Li、Cs原子共同冷却、俘获和混合及LiCs分子形成实验办法；（4）超冷极性分子长程互相作用调控手段。经费比例：24%承担单位：中华人民共和国科学院上海光学精密机械研究所课题负责人：洪涛学术骨干：王育竹、马兆远、周蜀渝、徐震各课题间互有关系这4个课题互相联系，各有侧重。课题1着重发展光晶格调控手段和超辐射探测技术，侧重研究量子气体关联效应和相变特性。课题2运用光晶格技术，同步发展高辨别率原位测量技术，侧重研究低维系统中超冷原子、分子磁性和无序效应。课题1和2在发展光晶格调控手段上技术共享。课题3则通过产生人造规范场这一全新调控手段，研究简并原子气体拓扑量子态等新颖物性。对这些拓扑态探测会充分运用课题1和2发展超辐射和原位测量技术。另一方面，当人造规范场这一调控手段发展成熟后来，可以进一步和课题1，2发展光晶格结合起来，开辟冷原子物理研究新方向。课题4侧重于通过简并量子混合气体制备，产生超冷极性分子。这一研究将发展光缔合等新调控技术，其前期简并混合气体制备环节会和课题1—3有大量技术交流。综上所述，课题1-4将实现先进实验技术、办法、成果资源共享和互相补充，通过理论和实验密切合伙，从不同角度研究超冷原子、分子中新颖量子态。本项目课题设臵思路如图2表达：图2.本项目课题设臵思路和各课题互有关系示意图

四、年度筹划年度研究内容预期目的第一年（1）将超冷Rb原子简并气体装载到光学晶格中，发展新办法对其进行量子调控，重要涉及：运用激光把原子束缚在光格子周期势阱谷底从而加强原子间局域互相作用，把冷原子系统限制在一维、二维或三维空间中，研究不同维度下量子特性变化；调节不同激光波长，研究晶格参数对量子态影响。改造已有铷原子BEC实验平台，实验研究BEC在无序光晶格中输运性质。升级既有Rb原子BEC装置，运用转移线圈将BEC中心转移到距离磁光阱中心5厘米下方。购买或自制实现人造规范势有关激光器、光学器件与电子仪器等。（2）改进镱原子冷却真空装臵。研究镱原子各种玻色和费米同位素亚多普勒冷却技术。研究铷原子BEC到1064nm远失谐光阱(FORT)装载过程以及冷原子云在FORT中蒸发冷却技术。（3）设计铷镱混合真空系统，订购所需真空、光学等元件。（4）理论研究周期性人造规范势新方案。研究产生人造规范势实验细节方案，涉及光学系统和电子系统等。（5）本项目首席科学家刘伍明作为冷原子与玻色－爱因斯坦凝聚国际知名专家负责筹办第26届低温物理国际会议(The26thInternationalConferenceonLowTemperaturePhysics)第一分会—量子气体、流体和固体（QuantumGases，FluidsandSolids）。低温物理国际会议是涉及原子及分子物理一种重要学术会议。冷原子和量子仿真本次会议核心内容。咱们通过前一期973项目资助，已经做出在国际上有影响原创性工作，培养一批具备国际竞争力创新人才，提高国内冷原子、分子物理整体水平并使之步入国际先进行列。但是为了保持国内在将来国际高新科学技术激烈竞争中赢得一席之地，咱们需要与国际同行保持高效沟通。通过筹办这次会议，咱们将在扩大本项目成果知名度同步，与国际同行进行更进一步交流和合伙。（1）通过控制冷原子系统几何构造、维度、组份等实验参数，调控超冷原子量子多体系统关联效应、动力学特性和非平衡态过程新办法。实验上使装置在10个方向都可以安排调控激光光束。完毕有关光学和电子仪器购买。（2）提高MOT腔真空度，使其优于10-8Pa。掌握镱原子亚多普勒冷却技术，原子云温度低于100μK；掌握FORT中铷原子BEC装载和光阱中蒸发冷却技术。（3）实现磁光混合型BEC产生装置。（4）掌握人造规范势中BEC动力学数值计算办法。拟定关于铷原子BEC人造规范势详细实验方案。（5）加强国际冷原子物理交流和合伙，扩大咱们在本领域研究成果影响力。次年（1）运用Feshbach共振变化光学晶格中中原子间散射长度从而调节原子间耦合强度，从吸引到排斥，从弱互相作用到强互相作用。通过研究光晶格中超冷原子超辐射散射发展光晶格中冷原子特性新探测办法：涉及变化光晶格强度、维度、周期；泵浦脉冲光长短、强度、入射角度；冷原子超流态、粒子数态、某些相干态量子状态，研究不同量子态与光场互相作用新效应。运用二维光晶格系统，实现对原子紧束缚，规定原子温度远不大于晶格径向束缚相应温度。原子系统具备足够相干时间。同步发展超高空间辨别率原位测量系统，搭建空间辨别率为2微米光学吸取成像系统。研究FORT光阱中铷原子BEC电磁感应透明(EIT)现象。仿真Hubbard模型。（2）研究镱原子到交叉光阱中转移以及交叉光阱中镱原子蒸发冷却；研究如何提高光阱中BEC寿命与光阱参数关系。（3）构建铷镱混合真空系统，用780nm激光和399nm、556nm激光产生Rb原子和Yb原子磁光阱，用1064nm单模激光实现Rb原子光偶极阱，并获得Rb原子BEC。（4）理论研究非阿贝尔规范场形成机理及有关磁单极子量子动力学。理论上研究暗态建立与维持机制，谋求提高暗态寿命新思路。（1）掌握调控原子间互相作用新办法，运用超辐射散射方式，摸索物质波、光晶格、合伙辐射散射光这三者之间关系，提供测量光晶格系统中冷原子各种奇异态量子相新探测办法。规定原子温度远不大于晶格径向束缚相应温度。原子系统具备足够相干时间。空间辨别率为2微米。运用激光与铷原子Λ型能级产生暗态并观测到BECEIT现象；结合理论研究，发现减少光子散射以延长暗态寿命新思路。实现Hubbard模型仿真。（2）实现镱原子交叉光阱装载，通过蒸发冷却实现镱原子玻色同位素BEC。铷原子BEC在FORT光阱中寿命达到100ms。在新系统上分别实现铷原子BEC以及镱原子磁光阱。（3）形成分别得锂和铯MOT，并用光阱全光阱捕获，初步蒸发冷却得到Cs原子简并，用Cs原子协同冷却Li原子使其达到量子简并。（4）明确冷原子中磁单极子可观测效应以及产生方案。明确非阿贝尔规范场形成机理及有关磁单极子量子动力学。提出提高暗态寿命新思路。第三年（1）研究一维光晶格中Rb原子自旋（SpinorGases）气体相变物理机理。通过调节磁场强度、原子散射长度，实现凝聚体从环状到铁磁态、反铁磁态相变。运用径向约束调节原子等效互相作用，研究系统特性从三维过渡到一维时变化。运用毛玻璃产生无序势，研究准一维量子气体Anderson局域化特性。调控延展态、局域态、玻色玻璃态。基于光阱囚禁Rb原子BEC，研究基于暗态机制人造规范势及其相应有效磁场。研究高强度有效磁场获得。（2）研究镱原子玻色-费米混合气体装载以及光阱中协同冷却。（3）完毕铷镱混合实验平台，实现铷镱原子共同冷却和俘获，用1064nm单模激光实现Rb原子和Yb原子共同光偶极阱和光晶格。研究RbYb原子超冷碰撞性质。涉及散射长度测量、光缔合、Feshbach共振等；研制用于进行光缔合和光学Feshbach共振激光器。（4）理论和实验相结合分析人造规范势中简并气体涡旋态产生机制和动力学。(5)与量子调控有关冷原子物理机制和控制技术关系到国家安全和将来高新技术发展，将在国民经济可持续发展战略中占有极为重要地位。本项目紧扣量子调控前沿领域，通过建立冷原子、分子以及简并量子气体凝聚体实验平台和仿真平台，探讨外加光场、磁场等与冷原子、分子体系互相作用以及量子态变化，从而对其进行量子调控，研究量子仿真、新型量子器件以及频率等有关物理量精密测量。本项目已获得研究成果已经在国际上获得了一席之地，但在新型量子器件研究相对薄弱。关于冷原子和量子调控在量子器件上应用需要国际同行间互相探讨。因而，课题一承担单位北京大学拟负责举办第二届国际量子气体学术会议一次。（1）观测到这些量子态相变，以及不同有序态、不同序参量耦合下量子行为和量子相变,实现量子仿真。摸索维度渡越时浮现量子相比和新颖量子态。运用有效磁场在铷原子BEC中激发涡旋态。（2）实验上完毕同化冷却优化，获得超冷Yb原子费米气体。（3）实现铷镱原子混合和囚禁，测量Rb-Yb原子间（涉及各种费米和玻色子同位素）碰撞特性和互相作用参数，研究原子间超冷碰撞、光缔合、Feshbach共振等特性。掌握和发展超冷混合量子气体精密操控技术。运用Feshbach共振使得Li，Cs原子形成分子，然后使用相干双光子过程（pump-dump）形成基态强绑定分子。（4）明确人造规范势中简并气体涡旋态产生机制和动力学。（5)增进国际同行学术交流和合伙。第四年（1）研究二维光晶格中Rb冷原子阻挫态物理机理。获得二维光晶格玻色气体，通过调节不同方向光晶格激光光强，变化不同方向光晶格超冷原子之间隧穿粒子流，观测凝聚体从奈尔态到自旋液体态、共线态相变，并研究它们相变机理。运用强光学束缚势搭建准二维系统，实现对原子紧束缚，规定原子温度远不大于层间束缚相应温度。原子系统具备足够相干时间。研究人造规范场作用下一维光晶格中超冷铷原子气体量子相干和动力学行为，通过一阶或二阶相干来进一步研究量子相干。（2）研究镱原子特殊基态超精细构造对产生人造规范势影响；购臵或自制实验需要光学和电子设备。（3）研究Rb-Yb混合超冷原子气体在磁光混合阱中相变和进行量子仿真方面实验。（4）理论研究简并铷原子气体在人造规范场作用下玻色量子霍尔态；研究简并Yb费米气体量子霍尔态和分数量子霍尔态。理论研究超冷分子化学反映RbYb+RbYb->Rb2+Yb2过程中碰撞动力学与外场调控技术。(5)举办第10届海峡两岸及国际量子调控会议。量子调控研究是当前蓬勃发展一种领域，国内外和海峡两岸有诸多科学家在研究。咱们通过前一期973项目资助，已经做出在国际上有影响原创性工作，培养一批具备国际竞争力创新人才，提高国内冷原子、分子物理整体水平并使之步入国际先进行列。咱们已经成为该会议重要参加者和骨干力量。但是，为了保持本项目在将来国际高新科学技术激烈竞争中赢得一席之地。为了沟通海峡两岸科学家，优势互补，形成高效合伙方式，本项目拟举办第10届海峡两岸及国际量子调控会议。本次会议将汇集台湾、内地和国外一批专家与学者来探讨该领域最新研究进展和发展动向，特别是十二五期间该科学筹划核心科学问题，为有效地推动该领域学科发展，实现国家中长期科技规划拟定目的做出重要贡献。（1）实现简并Rb原子气体从奈尔态到自旋液体态、共线态相变。发现不同量子态（如Mott态、自旋液体态等）与光场互相作用新效应。规定原子温度远不大于层间束缚相应温度。原子系统具备足够相干时间。发现人造规范势作用下一维光晶格系统新颖量子相干和动力学行为。（2）依照细化后针对费米Yb原子人造规范势方案，完毕有关光学与电子器件准备。揭示超冷混合原子凝聚效应和奇异物性。（3）研究强绑定分子蒸发冷却，从而达到较高相空间密度，实现超冷分子量子相变。（4）从量子多体角度明确铷原子BEC在人造规范场作用下玻色量子霍尔态。提出超冷化学新机制。(5)增进国际同行学术交流、合伙，理解国际冷原子领域最新动态。第五年（1）研究不同量子态条件下光晶格中Rb原子感受到光频移。测量和计算不同失谐光晶格、原子不同温度和分布、原子间互相作用、光场空间分布对原子光频移影响以及光谱信号变化。运用微波和光晶格囚禁超冷铷原子进行长时间互相作用，获得超窄线宽参照谱线。研究外界剩余磁场、微波功率、原子量子态、光晶格势垒等外部环境对该参照谱线和原子钟稳定度、精确度影响。调节束缚强度，研究系统从三维到二维时从无序向有序转变过程。通过操控外磁场，观测铁磁系统中磁畴演化，以及涡旋等拓扑元激发特性。研究简并铷原子气体在人造规范场作用下玻色量子霍尔态。（2）研究简并Yb原子费米气体量子霍尔态和分数量子霍尔态。（3）研究Rb原子和Yb原子形成分子实验办法。（4）理论研究非阿贝尔规范场及有关磁单极子量子动力学；研究简并原子气体中拓扑绝缘体实验方案、量子动力学和可观测效应；结合已完毕研究内容，就拓扑绝缘体应用等方面进行研究；结合新科学前沿问题，进一步理论和实验相结合摸索量子多体仿真。（1）通过度析外场对光晶格中冷原子钟跃迁谱线影响，实现对钟跃迁频率精密测量，并加深对其中物理机制进一步理解。通过操控外磁场，观测铁磁系统中磁畴演化，以及涡旋等拓扑元激发特性。摸索简并铷原子气体在人造规范场作用下玻色量子霍尔态。（2）实现Yb费米气体人造规范场;明确超冷费米气体中量子霍尔态基本性质。（3）摸索获得超冷RbYb分子技术办法，争取实现极性冷分子；获得RbYb分子之后并对其物理性质，例如，偶极互相作用进行实验测量，为进一步基于新型分子量子仿真和精密测量搭建初步实验平台。从而建立基于超冷分子量子仿真实验平台，为极性分子动力学、超冷化学等研究奠定基本。操控超冷分子，结合光晶格研究冷分子作为量子计算单元也许。（4）明确简并原子气体中磁单极子新颖现象；明确简并原子气体中拓扑绝缘体量子动力学行为；明确集体性超冷化学反映中多通道超选取（Super-selective）定则与量子尺寸效应等新效应。（5）完毕项目结题验收。

一、研究内容本项目将依托国内已经建立4个原子BEC平台，充分考虑到国家在重要前沿科学学科布局和发展高新技术重大需求，环绕多体关联系统量子态和奇异物性这一研究中心，在具备不同特色又紧密相连4个超冷原子、分子系统实验平台上，研究光晶格中量子关联效应，低维系统量子磁性，人造规范场中玻色量子霍尔态新颖量子现象和物理机理，极性分子系统长程偶极互相作用物理效应等问题。这些研究将使得超冷原子、分子体系在量子仿真、超冷化学、精密测量等重要研究领域获得实际应用并开辟崭新研究方向。通过集中研究具备宏观量子相干性超冷原子、分子系统，特别是该系统中新量子态制备、物性和操控，本项目拟解决核心科学问题是摸索超冷原子、分子系统中新颖物质态及其物理规律。为此，咱们需要运用冷原子系统调控手段灵活性，操控该量子多体系统几何构型、维数、互相作用和内部自由度，发展人造规范势、光缔合、Feshbach共振、无序等调控方式和新测量办法如超高空间辨别率原位测量、高敏捷超辐射散射谱。咱们结合已有4个超冷原子实验平台各自特色和前期工作基本，从不同角度切入该核心科学问题。重要研究内容：1．光晶格中超冷原子关联效应与量子相变。（1）通过调节激光波长来调控晶格参数，研究晶格参数对量子态影响；研究具备不同几何构造光晶格中冷原子系统量子态。（2）研究自旋气体（SpinorGases）相变机理，仿真Hubbard模型；通过变化磁场强度，调节光晶格中原子间散射长度，实现凝聚体从环状态到铁磁态以及反铁磁态相变。（3）研究二维光晶格中阻挫态物理机理；通过调节不同方向光晶格激光光强，形成不同方向光晶格原子之间不同隧穿粒子流，观测凝聚体从奈尔态到自旋液体态，以及到共线态转变，并研究它们相变机理。（4）摸索运用超辐射散射、Raman散射等办法探测光晶格中各种奇异物态相变新办法。通过对光信号合伙辐射放大探测手段和方式，测量不同晶格间原子关联效应以及动力学特性。（5）结合Feshbach共振，研究光晶格中原子光频移和碰撞频移。2．简并原子气体量子磁性和无序性质。（1）在已有玻色—爱因斯坦凝聚实验装臵上搭建二维光晶格，通过强径向束缚，使得原子能量远低于相应能级劈裂，实现准一维量子简并系统。（2）用径向束缚势调节原子等效互相作用。（3）运用两束交叉强激光光束形成紧束缚一维周期势，或者运用柱透镜实现强烈汇聚柱状高斯光束，搭建准二维量子简并系统。（4）发展超高空间辨别率原位测量技术，选取适当低维系统几何参数，把BEC调节到适合光学成像尺寸，搭建辨别率达到微米量级光学吸取成像系统，用于直接观测低维量子简并系统密度分布。（5）运用带自旋冷原子系统来模仿磁互换系统并调控其维度。研究系