自旋轨道耦合对超冷费米气体的基态、量子相变、凝聚、超流以及热力学性质的影响

项目名称： 自旋轨道耦合对超冷费米气体的基态、量子相变、凝聚、超流以及热力学性质的影响

项目编号： No.11204321

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 物理学I

项目作者： 周可召

作者单位： 中国科学院金属研究所

项目金额： 25万元

中文摘要： 自旋轨道耦合（SOC）在冷原子中的实现为深入地研究其对系统各种物理性质的影响以及探索奇异的物理相开辟了一条新的途径。运用路径积分方法研究一个具有SOC的费米系统的能隙、量子相变、凝聚密度、超流密度以及各种热力学性质。通过分析配对场的涨落，得到这个系统的凝聚密度和超流密度两者之间的一般关系，重点分析SOC的影响（系统不再满足伽利略变换不变性、各向异性以及三重态配对）。基于上述一般性讨论，在平均场近似下计算极化费米系统在零温下的能隙、凝聚密度和超流密度，在此基础上分析SOC和极化（塞曼）场对凝聚密度和超流密度的影响。以能隙、凝聚密度和超流密度为判据，研究系统的量子相变，最终给出系统的基态相图并理解其中的拓扑相。运用NSR涨落理论，研究系统的能隙、谱函数、凝聚密度和超流密度在有限温度下的行为和系统的各种热力学性质，分析平均场理论的局限性并为以后的实验提供理论依据。

中文关键词： 自旋轨道耦合；冷原子；BCS-BEC渡越；保真率；拓扑

英文摘要： The realization of spin-orbit coupling (SOC) in ultra-cold atomic systems has opened up a new window for systematic investigation of its effect on various physical properties and exploration of new novel phases. Using functional integral method, we investigate the gap, quantum phase transition, condensed density, superfluid density and various thermodynamic properties of an ultra-cold Fermi system. We obtain the general relation between condensed density and superfluid density for this particular system by studying fluctuations of the pairing field with emphasis on the new features induced by SOC (absence of Galilean invariance, anisotropy and existence of triplet paring field). Based on the above general argument, we calculate the gap, condensed density and superfluid density for a polarized Fermi system at zero temperature within mean-field theory and analyze effect of SOC and polarization (Zeemann) field on condensation and superfluidity. With the obtained results of the gap, condensed density and superfluid density, we study the quantum phase transition induced by SOC and Zeemann field. Eventually, we give the global phase diagram of this novel system and understand the topological phases therein. Using NSR theory to go beyond mean-field theory, we study the finite temperature behaviors of the gap, spectral

英文关键词： spin-orbit coupling；cold atoms；BCS-BEC crossover；fidelity susceptibility；topology