二维自旋轨道耦合玻色气体及相关实验技术的研究

论文摘要

该博士论文是作者博士期间学习和工作的总结。本文通过在超冷原子实验平台上构造并且实现自旋轨道耦合,对超流体、拓扑绝缘体以及一些其他物理问题进行模拟和研究。在研究过程中,我们探讨了自旋轨道耦合的基本性质,并且根据需要发展了一些技术方法。本文首先简述了玻色爱因斯坦凝聚体的基本理论,讨论了自旋轨道耦合的一些基本性质,并且介绍了理论和实验上构造自旋轨道耦合的方案。然后描述了完整的实验装置系统。之后介绍了一系列在实验上对于一维/二维自旋轨道耦合的研究。首先,我们利用布拉格谱技术测量了一维自旋轨道耦合BEC的激发谱,发现了该体系中存在的旋子模式结构。通过调节耦合强度或者失谐可以实现对声子模式和旋子模式的调节,这是实验上首次在弱且短程相互作用体系中发现了旋子形式激发谱,为今后模拟强关联体系提供了新的思路。其次,我们提出了一个简单的实现二维自旋轨道耦合的方案并且在实验上成功实现了。该方案简单易行,无需相位的精确锁定、光势的精细调节等复杂技术,构造的系统具有维度可调、加热小、拓扑稳定等特点。在该二维自旋轨道耦合系统上,我们观测了动量空间上的体系基态、二维到一维自旋轨道耦合的演化以及系统的拓扑相变。然后,在已有二维自旋轨道耦合方案的基础上,我们对方案进行升级改造,使系统具有完整的C4对称性,同时升级真空系统,改良磁场系统,使得实验装置更加简单、稳定,系统寿命也有了很大的提升。在新的二维自旋轨道耦合系统中,我们研究了体系从二维到一维再到二维连续演化的过程、体系的寿命、相互作用相图、拓扑相图、体系的拓扑能带等。最后,我们升级优化了偏置磁场系统,极大的降低了偏置磁场噪声,稳定了偏置磁场大小,减小了系统的长期不稳定性,为以后三维甚至更高维度自旋轨道耦合实验或者一些更高精度实验做准备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 玻色爱因斯坦凝聚
•   1.2 量子模拟
•   1.3 论文结构
• 第二章 理论基础
•   2.1 玻色爱因斯坦凝聚
•     2.1.1 理想玻色气体
•     2.1.2 有弱相互作用的玻色气体
•   2.2 自旋轨道耦合
•     2.2.1 自旋轨道耦合的基本性质
•     2.2.2 实现自旋轨道耦合的实验方案
• 第三章 实验系统
•   3.1 真空系统
•     3.1.1 真空装置的设计
•     3.1.2 超高真空的获得
•   3.2 光学系统
•   3.3 磁场系统
•     3.3.1 梯度磁场装置
•     3.3.2 偏置磁场装置
•     3.3.3 补偿磁场装置
•     3.3.4 磁场稳定装置
•   3.4 探测系统
•   3.5 时序控制系统
• 第四章 利用布拉格谱技术研究自旋轨道耦合BEC中的旋子与声子
•   4.1 布拉格谱技术
•   4.2 实验装置
•   4.3 实验结果及其讨论
•   4.4 总结
• 第五章 二维自旋轨道耦合玻色气体的实现及其一些基本性质的研究
•   5.1 首次实现的二维自旋轨道耦合玻色气体
•     5.1.1 理论方案
•     5.1.2 实验装置以及系统的构建
•     5.1.3 实验参数的确定
•     5.1.4 二维自旋轨道耦合系统拓扑性质的验证
•   5.2 高度可控并且稳健的二维自旋轨道耦合量子气体
•     5.2.1 理论方案
•     5.2.2 实验装置以及系统的实现
•     5.2.3 实验参数的确定
•   5.3 二维自旋轨道耦合系统的一些基本性质的研究
•     5.3.1 基态的观测以及系统的寿命
•     5.3.2 考虑相互作用条件下的相图
•     5.3.3 拓扑相图
•   5.4 总结
• 第六章 利用自旋注入微波谱技术研究二维自旋轨道耦合玻色气体的能带结构
•   6.1 自旋注入微波谱技术
•   6.2 实验装置及实验过程
•     6.2.1 二维自旋轨道耦合系统的构建
•     6.2.2 在光晶格中的自旋注入微波谱
•   6.3 数据分析及实验结果的讨论
•     6.3.1 在准动量空间中获取自旋注入微波谱
•     6.3.2 拓扑能带结构的重构
•     6.3.3 光晶格深度和拉曼耦合强度的校准
•   6.4 总结
• 第七章 超低磁场噪声的量子气体系统的实现
•   7.1 磁场稳定技术
•   7.2 实验装置
•   7.3 实验结果及其讨论
•   7.4 在玻色爱因斯坦凝聚体中磁场敏感态的拉比振荡
•   7.5 总结
• 第八章 总结与展望
•   8.1 总结
•   8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 徐晓天

导师: 潘建伟,陈帅

关键词: 玻色爱因斯坦凝聚态,自旋轨道耦合,拉曼过程,拓扑相变,能带结构,磁场稳定

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O469

总页数: 127

文件大小: 16047K

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