尤力研究组在超冷原子高分波Feshbach共振的研究中取得重大进展

2018年1月12日

最近,物理系在超冷原子高分波Feshbach共振的研究中取得重大进展,首次发现宽的d波Feshbach共振。该结果以“Observation of broad d-wave Feshbach resonances with a triplet structure”为题,发表在Physical Review Letters期刊上[1]。该结果为研究与高分波配对相关的量子模拟提供了一个崭新的机遇。基于它的潜在应用价值,该工作被选为Physical Review Letters的编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)。

基于冷原子系统的量子模拟在少体以及多体物理的研究中具有重要意义。在冷原子体系中,利用磁场调控的 Feshbach 共振技术能够有效地、甚至任意地调节原子间的相互作用性质和强度。这一巨大的优势使得冷原子量子气体成为进行量子模拟的一个绝佳平台,研究者可以人为构造或调控一些在固体物理材料中难以实现或操纵的量子态,从而实现对这些量子系统性质的模拟和研究。利用s波Feshbach共振,研究者已成功实现了例如BEC-BCS crossover、Efimov states等重要量子态的研究。与s波相比,高分波的系统则展现出更为丰富新奇而有趣的现象,比如冷原子气体穿过高分波Feshbach共振点时的量子相变,以及p波超流和d波超导中的高分波配对行为。得到稳定的p或d波Feshbach共振点附近的量子气体对研究这些高分波系统中的作用机理有重要意义。但是过去人们一直没有在冷原子系统中找到这样的Feshbach共振。

图1.(a) d波Feshbach共振三劈裂结构产生机理。 (b)-(d) 在16 μK、1.2 μK和400 nK温度下,d波Feshbach共振附近的原子碰撞损耗比例随磁场的变化关系。

我系尤力老师和郑盟锟老师领导的一个实验通过将超冷铷85-铷87实验系统和多通道量子亏损理论的结合,成功地发现了不会发生两体偶极自旋翻转损耗的宽的d波Feshbach共振,并首次观测到了d波共振的特征三劈裂结构。图1.(b)-(d)所示为该峰在不同温度下的原子损耗行为,在400 nK的温度下清晰地展现出三个共振峰。图1.(a)给出了劈裂产生的机理,即磁偶极-偶极相互作用对具有不同轨道磁量子数的束缚态的能级影响不同。我们的理论计算表明,d波的束缚态会劈裂为三个,并且其两两之间的间距比例为一个固定的特征值1/3。该比例与实验测得的劈裂比例1/2.7(ml’=0与|ml’|=1峰间距/ |ml’|=1与|ml’|=2峰间距)一致,证明所测共振为d波Feshbach共振。

该文章所报道的宽d波Feshbach共振为国际上首次发现,对后续高分波相互作用的研究有着指导性的意义。该研究得到物理系低维量子物理国家重点实验室、国家科技部、国家自然科学基金委、清华大学自主研发项目的经费支持。博士生崔悦全程参加了实验平台的搭建,相关理论的计算预言,以及实验数据的采集和分析,为论文的第一作者。

 

参考文献:[1] Y. Cui, C. Shen, M. Deng, S. Dong, C. Chen, R. Lü, B. Gao, M. K. Tey, and L. You, ``Observation of Broad d-Wave Feshbach Resonances with a Triplet Structure,'' Phys. Rev. Lett. 119, 203402 (2017).

 

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.203402