超流费米原子气体中的集体激发及其相互作用研究

玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学
徐红萍;贺真真;鱼自发;高吉明
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2022(71)9
【摘要】研究了玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学特性,其中玻色子位于对称双势阱中,费米子位于对称双势阱中心的简谐势阱中.采用双模近似方法得到描述双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的动力学特性方程组,并将其与简谐势阱中分子玻色-爱因斯坦凝聚的Gross-Pitaevskii方程进行耦合.通过对不同参数下玻色-费米混合体系中的隧穿现象进行数值研究,发现简谐势阱中费米子与双势阱中玻色子的相互作用使双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的隧穿动力学特性更加丰富.不但驱使双势阱中玻色-爱因斯坦凝聚从类约瑟夫森振荡转变为宏观量子自囚禁,而且宏观量子自囚禁表现为三种不同的形式:相位与时间呈负相关并随时间单调减小的自囚禁、相位随时间演化有界的自囚禁以及相位与时间呈正相关并随时间单调增大的自囚禁.【总页数】9页(P1-9)
【作者】徐红萍;贺真真;鱼自发;高吉明
【作者单位】西北师范大学物理与电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O41
【相关文献】
1.原子间相互作用对囚禁原子玻色-爱因斯坦凝聚隧穿动力学的影响
2.频率调制对三势阱玻色爱因斯坦凝聚体隧穿特性的影响
3.费米原子与玻色分子混合体系的相干态理论研究
4.量子纠缠对两个原子玻色-爱因斯坦凝聚隧穿动力学的影响
5.拓展的玻色—哈伯德模型中由原子\r对隧穿诱导的等效薛定谔猫态及其量子—经典相变
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冷原子物理学中的超冷玻色气体和费米气体在冷原子物理学领域中，超冷玻色气体和费米气体是两个重要的研究对象。

这两种气体的特殊性质和行为使得它们在理论研究和实验应用中具有广泛的潜力和应用前景。

首先，我们来了解一下超冷玻色气体。

玻色气体是由具有整数自旋的玻色子组成的，其特点是可以在低温下形成基态凝聚。

在玻色气体被冷却至绝对零度附近时，它的波函数会出现集中分布，原子间发生玻色-爱因斯坦凝聚。

这种凝聚现象的发生让超冷玻色气体成为了研究量子统计行为和凝聚态物理现象的理想平台。

超冷玻色气体的研究中，最有名的莫过于玻色-爱因斯坦凝聚。

这种凝聚态现象的实现，让物理学家们可以研究超流性质、相干现象以及凝聚态中的拓扑缺陷等重要问题。

此外，超冷玻色气体还具有与光学和自旋系统之间的耦合性质，这种光-原子相互作用的巧妙平台，使得研究者们可以进一步探索量子信息处理、量子计算等相关领域。

接下来，我们转向费米气体。

费米气体由具有半整数自旋的费米子构成，根据泡利不相容原理，这些费米子不能存在于相同的量子态。

费米气体在冷却至足够低的温度时会出现费米-狄拉克凝聚，费米子会填满低能态直到费米能级，其波函数也会出现集中分布。

费米气体的研究对于理论物理学和凝聚态物理学来说具有重要意义。

费米-狄拉克凝聚是一种新奇的量子相，具有巨大的熵、寻求最大自发对称破缺等特性。

如今，研究者们通过磁光和其他技术手段来探索费米气体的性质，在高能物理、量子调控和量子模拟等领域发现了一系列新效应和新领域。

超冷玻色气体和费米气体在实验应用方面也有着广泛的应用前景。

例如，超冷玻色气体可以用于模拟物质中的相变现象，并帮助我们更好地理解复杂的凝聚态系统。

费米气体则有助于研究高能物理中的强关联现象，也可以用于制造高精度测量设备和量子计算器。

总之，在冷原子物理学中，超冷玻色气体和费米气体作为两个重要的研究对象，具有不可忽视的意义和巨大的潜力。

通过对它们的研究，我们可以进一步拓展对量子统计行为、凝聚态现象和量子信息处理的认识，也为实际应用领域提供了新的思路和技术平台。

BI YE SHE JI（20 届）腔量子电动力学的BCS-BEC渡越目录中文摘要 ..................................................................................................................................... Abstract ........................................................................................................................................ 第一章绪论 .. (1)第二章超冷费米原子 (2)2.1费米气体BCS配对理论 (2)2.2平均场近似 (4)2.3 BCS-BEC转换 (4)第三章腔量子电动力学 (6)3.1 J-C模型 (6)3.2 超辐射 (7)第四章我的工作 (9)4.1 Hamiltonian (9)4.2平均场近似 (10)4.3能隙方程和粒子数方程 (11)第五章总结与展望 (17)参考文献 (17)腔量子电动力学（CQED）中的BCS-BEC渡越摘要：对超冷费米原子气体的突破性研究要追溯到二十世纪九十年代末期，科学家在那时初次在实验上成功得到了简并的费米气体。

从那以后，超冷费米气体就“热”了起来。

冷原子费米气体因为其易调节性从而成为研究多体物理的模型系统。

Feshbash共振技术的出现进一步推动了超冷气体的研究。

用这种技术调谐吸引相互作用的强度，使费米原子从配对强度很弱的BCS（Bardeen,Cooper 和 Schriefferz于1957年提出用来解释超导现象的微观理论）超流态到配对强度很强的玻色分子的BEC凝聚态的渡越成为可能。

BCS-BEC渡越区的理论研究多数使用平均场近似的方法。

超冷玻色费米气体的集体原子反冲行为和Feshbach共振【摘要】：本论文以玻色子87Rb和费米子40K在磁阱中实现了量子简并为基础,研究了超冷原子的大范围转移,从QUIC阱转移到向玻璃气室的中心；在绝热展开量子简并费米气体的基础上研究了费米子的瑞利超辐射；搭建了远失谐的交叉偶极力阱,实现了混合气体的绝热转载,实现了光阱中玻色费米气体的量子简并,结合微波射频制备原子超精细态的技术,观测到了玻色子87Rb和费米子40K的s-,p-,d-波的Feshbach共振,实现了原子之间相互作用的精细调节。

简要地描述了实验上在磁阱中实现玻色费米气体量子简并的冷却过程,介绍了实验上需要的光学系统,计算机控制系统,磁场系统和微波射频装置。

主要就QUIC组合线圈的设计工作,以及实验结果与理论计算的对比作了详细叙述,然后讨论了玻色气体和费米气体在进入量子简并区域的不同实验现象,以及实验上BEC和DFG的实验判据。

BEC的实验判据很明显,就是飞行吸收成像中原子密度分布的各向异性和bimodal的存在；而费米气体的量子简并度有专门的参数衡量,没有像BEC一样明显的判据,要通过对实验数据进行拟合才能得到准确的原子云信息。

最后详细研究了在QUIC阱中,用玻色子87Rb作为中间媒介来共同冷却费米子40K达到量子简并的情况,分别讨论了蒸发冷却中微波和射频的作用。

实验中发现87Rb原子的另一个超精细态原子的存在严重影响了费米子的冷却效果,我们提出了一种结合微波和射频共同作用的冷却机制,提高了蒸发冷却的效率。

针对超冷原子大范围转移的困难,我们采取了两种方法来克服,即利用重力方向的磁场抵消重力和加大重力方向磁阱的束缚减小重力的影响。

实验上采用上述方法水平转移超冷原子达到12mmm,最后应用一个巧妙的磁场跳跃实现了原子振荡的压缩。

这种转移的方法可以叠加使用,用作原子更大范围内的转移；转移过程中原子加热不明显,不会导致大量的原子损耗。

本论文还介绍了稀薄超冷简并费米气体中的集体原子反冲行为。

源于玻色爱因斯坦凝聚的超流现象玻色爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，简称BEC）是现代物理学中一项重要的研究成果，它引发了科学家们对超低温物理学和量子力学的深入探索。

本文将介绍玻色爱因斯坦凝聚的起源、基本原理以及超流现象的相关研究。

BEC的起源可以追溯到1924年，由印度物理学家萨蒂亚特·天德拉·玻色（Satyendra Nath Bose）首先提出。

他参考了爱因斯坦提出的统计学理论，将它应用于光子的研究中。

根据爱因斯坦的理论，粒子可以分为玻色子和费米子两类。

光子属于玻色子，而费米子则包括电子、质子等带电粒子。

通过对玻色子系统的分析，玻色提出了一种描述其行为的统计力学方法，即玻色分布。

爱因斯坦进一步将这一理论推广到气体中的原子粒子，并预测在极低温下会出现一种新的凝聚态，即BEC。

而要实现BEC的产生，则需要先将原子冷却至极低温度，在这样的条件下，量子效应会显著影响原子的行为。

在绝对零度附近，原子的波长将远大于原子之间的相互作用距离，这时原子会出现波粒二象性，即可以看作是粒子也可以看作是波动。

当原子数目较多时，部分原子会进入基态，形成BEC。

超流是BEC最引人注目的性质之一。

超流是指当原子处于BEC状态时，它们可以无摩擦地流动，并且不会发生粘滞耗散。

这意味着超流物质可以在零电阻的状态下流动，即无能量损失。

早在1938年，英国物理学家皮特尔·卡皮察开挖溢出的水渠时发现了这一现象，被称为超流的发现者之一。

研究表明，超流现象源于BEC中的量子凝聚态，超流通过凝聚态原子间的密度波相干性实现。

超流现象引发了广泛的研究兴趣，尤其是在液体氦的研究领域。

液体氦是目前已知的唯一能够实现BEC的物质，其第二类相变点即为玻色爱因斯坦凝聚的温度。

超流的实验研究也为开展其他新颖物理现象的研究提供了重要参考。

例如，研究人员发现超流具有量子涡旋的性质，这是由于超流流体具有固有的不稳定性，可以形成类似于飓风的涡旋的结构。

Feshbach共振下费米气体的BCS超流态摘要随着对超冷费米原子中分子BEC以及原子的BCS转变在实验上的实现，人们对超冷费米原子气体在实验方面的研究，已经进入了一个新的阶段。

对于超冷费米原子气体的过渡区，利用磁场作为外部控制手段来实现磁场Feshbach共振以改变原子间的散射长度。

超冷原子气体冷却技术成功用于冷却费米气体，实现了费米气体的超流态。

本文主要先介绍了玻色爱因斯坦凝聚态简介以及实现爱因斯坦凝聚态的实验技术（激光冷却技术、静磁阱技术及其发展过程、蒸发冷却技术、BEC的检测技术），接下来介绍了费米气体的制备，Feshbach共振技术和在Feshbach共振下的实验，最终得到费米超流体。

关键词玻色爱因斯坦凝聚，BEC-BCS跨越，Feshbach共振，费米子超流引言1995年，气态碱金属原子的玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)的实现[1—3]激发了人们对超冷原子的研究热情。

2001年，Comell等人由于实现气态碱金属原子的BEC以及对其基本性质的研究，荣获诺贝尔物理学奖。

然而，冷却费米原子气体相对于冷却玻色气体而言，却是一项更难实现的工作。

因为在低温下，费米统计对散射的相空间做了一个很大的限制，这使得由一群捕获的稀薄费米原子所构成的系统很不容易达到热平衡。

另一方面，碱金属费米原子如40K和6Li，原子间的相互作用非常弱，这使得这些费米子不同自旋态间形成配对超流态的临界温度T才远低于目前实验c技术所能达到的温度。

所幸的是人们通过Feshbach共振[11]，解决了上述的问题。

并且在2003年底至2004年初，结合改变原子间散射长度的Feshbach 共振[4]，对束缚在光阱中的费米原子气体，在远低于费米温度的情况下实现了分子BEC[5-6]，取得了在超冷费米原子气体方面的很大突破。

随后，人们很快从实验上实现了原子库柏对的凝聚体[7]。

费米原子气体冷却至简并区技术的突破，为量子液体的研究打开了方便之门。

华中科技大学硕士学位论文受限的弱相互作用费米气体热力学性质的研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：***20070529华中科技大学硕士学位论文摘 要超冷简并费米气体的研究已经成为当前物理学研究的一个新热点。

超冷简并费米气体的理论和实验研究也正以惊人的步伐向前迈进，更多新奇的发现将逐步呈现在人们面前。

从发展的趋势来看，一方面超冷简并费米气体将和磁场Feshbach共振、光缔合、光晶格等量子操控手段紧密地结合起来研究其量子相变、超流行为等深层次的物理问题。

另一方面，超冷简并费米气体将继续深化和原子物理、凝聚态物理、光物理等学科的相结合，来研究固态物理甚至核物理中的一些没有最终解决的强关联问题，如高温超导的物理机制问题。

由于超冷简并费米气体所具有的独特性质，已经在新材料新器件的研制中得到了广泛应用，前景非常广阔。

本文运用巨正则系综求和的方法，对囚禁在谐振子势阱中费米气体的热力学参量进行了讨论。

利用最简单的平均场近似—Hartree-Fock理论和分离变量法求解弱相互作用费米气体的能量本征值，以便我们研究弱相互作用费米气体的热力学性质。

全文的研究内容主要分为三部分：第一部分主要介绍了研究费米气体所基于的理论基础：费米－狄拉克统计分布，以及费米气体的各个热力学参量。

不同极限，不同维度下费米气体的各个热力学参量的统计表达式是不一样的。

第二部分研究了理想费米气体的热力学性质，分别讨论了在热力学极限下和有限粒子数下化学势和比热的变化规律。

第三部分我们运用平均场理论对谐振子势阱中的弱相互作用费米气体的热力学性质进行了研究，并将其与理想费米气体进行比较。

关键词：费米气体谐振子势阱热力学性质华中科技大学硕士学位论文AbstractThe investigation of ultracold degenerate Fermi gas is a new hot issue in current physics research. The experimental and theoretical researches of ultracold degenerate Fermi gases continue to advance at a dramatic pace. We believe that many novel physical discover will exhibit in front of us. With the development tendency: On one hand: Combining with ultracold degenerate Fermi gas and quantum control method of magnetic field Feshbach resonance, optical association and optical lattices, we could further research quantum and superfluidity phenomena of ultracold degenerate Fermi gas. On the other hand: Combining with ultracold degenerate Fermi gas and atom physics, condensed matter physics and optical physics, we will study the strongly connected p roblem of solid state physics and nuclear physics that wasn’t solved finally.Ultracold degenerate Fermi gas has been applied abroadly in the manufacture of new material and new apparatus, duing to its particular characteristic, so the prospect is extremely broad.We discuss thermodynamical parameter of Fermi gas in a harmonic traps by using the the sum method for the grand canonical ensemble. Then we solve the energy eigenvalues of weakly interacting Fermi gas in a harmonic traps by using the simplest mean field theory-Hartree-Fock theory and the separation of variables. So that we can study the themodynamic properties of weakly interacting Fermi gas.The work of ours' can be divided into three parts:In the first part, we introduce the theoretical basis of studying Fermi gas: Fermi-Dirac statistics and thermodynamical parameter of Fermi gas. The statistics expression of thermodynamical parameter is different in variant limit and dimension.In the second part, we study the themodynamic properties of mesoscopic Fermi gas. Then discuss change of chemical potential and specific heat in the themodynamic limit and finite atom numbers.In the thrid part, We research thermodynamical properties of weakly interacting Fermi gas in a harmonic traps by using the mean field theory , then compare with mesoscopic Fermi gas.Key words:　Fermi Gas; Hamonic Trap; Thermodynamic Property独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

原子中的强相互作用和超流动现象在原子的微观世界中，存在着一种强相互作用力，它是一种非常强大的力量，能够使原子中的粒子产生强烈的相互作用。

这种强相互作用力的存在，使得原子内部的粒子以一种特殊的方式组织和运动，从而产生了一些令人惊奇的现象，其中之一就是超流动。

超流动是一种奇特的物质状态，它发生在低温下，当原子内部的粒子以一定的方式排列和运动时，会出现一种无粘性的流动现象。

这种无粘性的流动意味着超流体可以在不受阻碍的情况下流动，不会产生任何能量损耗。

这一现象的发现引起了科学家们的广泛关注和研究。

超流动现象最早是在液氦中被观察到的。

液氦是一种低温下的物质，当温度降到接近绝对零度时，液氦会发生相变，形成一种新的物质状态，即超流体。

在超流体中，原子内部的粒子以一种特殊的方式组织和运动，形成了一种无粘性的流动。

这种流动现象被称为超流动。

超流动现象的发现引起了科学家们的极大兴趣，他们开始研究超流体的性质和行为。

他们发现，超流体的流动速度可以超过光速，这是一种非常奇特的现象。

此外，超流体还具有量子性质，即它的行为符合量子力学的规律。

这使得科学家们对超流体的研究更加深入和复杂。

超流动现象的研究不仅仅局限于液氦，近年来，科学家们还在其他物质中观察到了类似的现象。

例如，超导体也表现出类似于超流体的行为。

超导体是一种能够在低温下以零电阻的方式传导电流的物质。

这种零电阻的传导是由于超导体中的电子以一种特殊的方式组织和运动，形成了一种无阻碍的电流流动。

这种电流传导方式被称为超导。

超流动和超导现象的发现和研究对于科学和技术的发展具有重要意义。

超流体和超导体具有许多独特的性质和应用价值。

例如，超流体可以用于制造高灵敏度的测量仪器，超导体可以用于制造高效的电力输送线路和磁共振成像设备。

此外，超流动和超导现象还有助于我们更好地理解原子中的强相互作用力和量子力学的规律，对于科学的发展具有重要的推动作用。

总之，原子中的强相互作用力和超流动现象是一门令人着迷的科学研究领域。

超冷原子系统中的量子相变研究随着量子物理学的快速发展，人们对于超冷原子系统中的量子相变产生了浓厚的兴趣。

量子相变是指在低温下由于量子涨落的影响导致物质的性质发生突变的现象。

本文将探讨超冷原子系统中的量子相变研究，介绍相关的理论和实验成果，并对未来的发展方向进行展望。

一、超冷原子系统简介超冷原子系统是由一群或多群被冷却至极低温度的原子组成的体系。

通过操控这些超冷原子，可以实现量子仿真、量子计算和量子模拟等重要应用。

目前，实验室中广泛使用的超冷原子系统包括玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和费米准凝聚(Fermi gas)。

二、量子相变理论在超冷原子系统中的量子相变研究，依赖于多体相互作用的哈密顿量。

根据不同的系统类型和模型，可以采用多种理论工具进行解析计算，比如平均场理论、精确对角化方法、有限温度量子蒙特卡罗模拟等。

这些理论方法为我们理解超冷原子系统中的量子相变提供了重要的指导。

三、BEC系统中的量子相变玻色-爱因斯坦凝聚是一种由玻色子组成的超冷原子系统。

在BEC系统中，可以通过改变温度、相互作用强度和外势场的调控来研究量子相变的性质。

最经典的例子是由单一玻色子系统向超流相变的波色-爱因斯坦凝聚相变。

四、费米气体中的量子相变费米气体是由费米子组成的超冷原子系统。

在费米气体中，由于泡利不相容原理的限制，粒子之间的相互作用对于相变的性质起到了重要作用。

费米气体中的量子相变研究主要集中在BEC-BCS跃迁和超流相变等方面。

五、超冷原子系统中的新现象超冷原子系统中的量子相变研究不仅仅关注于已知的相变，还揭示了一些新的物理现象。

比如，量子霍尔效应、拓扑物态、拓扑绝缘体等。

理论和实验研究表明，超冷原子系统的量子相变是研究拓扑物质的重要平台之一。

六、未来发展前景随着实验技术的不断进步，超冷原子系统中的量子相变研究将迎来更加广阔的发展前景。

未来的研究方向包括研究更加复杂多样的超冷原子模型、探索新的量子相变机制、实现更高精度的量子控制等。