【摘要】：在本篇論文中,我們主要研究了光學晶格中一維、二維和三維自旋軌道耦合的實驗實現(xiàn)和其誘導的新奇物理現(xiàn)象、拓撲特性,并且給出了實驗探測的手段;以及spin-1/2系統(tǒng)中自旋軌道耦合誘導的磁性相變和spin-1系統(tǒng)中自旋張量角動量耦合引發(fā)的大自旋磁性現(xiàn)象。具體內(nèi)容如下:1、研究了一維自旋軌道耦合中的對稱性保護拓撲態(tài)。通過雙光子拉曼過程在一維光學晶格堿土或類堿土金屬原子系統(tǒng)中實現(xiàn)了人造自旋軌道耦合。并且,結(jié)合軌道Feshbach共振技術(shù),調(diào)節(jié)堿土和類堿土金屬特有的自旋交換相互作用。通過調(diào)節(jié)實驗中的參數(shù)使其滿足單帶近似、緊束縛近似,從而得到了系統(tǒng)的哈密頓量。利用密度矩陣重整化群方法,計算了存在自旋軌道耦合和自旋交換相互作用系統(tǒng)的基態(tài)。發(fā)現(xiàn),基態(tài)中包含手征對稱性[U(1)×Z_2~T]保護拓撲態(tài),這個拓撲態(tài)中有費米邊緣態(tài),且這一拓撲態(tài)的拓撲不變量是Z_4。通過變化相互作用各個分量的強度,我們還發(fā)現(xiàn)拓撲非平庸相到拓撲平庸相的拓撲相變,并且繪制了豐富的相圖。2、討論了一維自旋軌道耦合中相互作用誘導的流。通過單光子過程實現(xiàn)了一維光學晶格中堿土和類堿土金屬原子的自旋軌道耦合,克服了堿金屬自旋軌道耦合拉曼過程發(fā)熱的問題。將堿土和類堿土金屬原子的鐘態(tài)和自旋態(tài)分別視作兩個人造維度,引入堿土和類堿土金屬特有的在位自旋-交換相互作用。利用密度矩陣重整化群,數(shù)值計算基態(tài)中相互作用對無相互作用手性流的影響和其產(chǎn)生的新奇流特。發(fā)現(xiàn)自旋交換相互作用能夠誘導出新奇流,而且產(chǎn)生與奇異手性流密切相關(guān)的密度波序。3、提出了實現(xiàn)二維、三維自旋軌道耦合的可行性實驗方案和拓撲特征的實驗探測方案。我們利用具有“魔幻”波長的激光,構(gòu)造一個三維光學晶格。然后將鐘態(tài)激光分成四束激光束,以可調(diào)角度入射進入原子團,產(chǎn)生態(tài)丨g〉和丨e〉之間的耦合,構(gòu)成高維自旋軌道耦合。通過調(diào)節(jié)鐘態(tài)激光的入射角度,在z軸方向上有分量則產(chǎn)生了三維自旋軌道耦合,在z軸方向上無分量則產(chǎn)生了二維自旋軌道耦合。三維自旋軌道耦合會誘導出不同數(shù)量的外爾點,而且有不同類型的外爾點。不同拓撲電荷之間的外爾點之間被Fermi arcs連接起來。我們利用三個光譜學過程來探測二維Rashba自旋軌道耦合的拓撲能帶和三維外爾自旋軌道耦合的外爾點周圍的自旋分布。4、分析了一維光學晶格中的自旋軌道耦合排斥費米原子系統(tǒng)的磁性。利用密度矩陣重整化群,數(shù)值計算體系基態(tài)的動量空間粒子分布、能隙和自旋關(guān)聯(lián)函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合能夠引起奇異動量空間粒子分布,且嚴重依賴于填充率。我們將這種具有奇異動量空間粒子分布且能隙為零的金屬相稱為自旋軌道耦合誘導的金屬相。我們還發(fā)現(xiàn),自旋軌道耦合能夠驅(qū)動系統(tǒng)基態(tài)從反鐵磁Mott絕緣體相變到鐵磁Mott絕緣體。自旋旋轉(zhuǎn)鐵磁Mott絕緣體和自旋軌道耦合誘導的金屬相之間的二級量子相變。自旋旋轉(zhuǎn)變現(xiàn)為最近鄰格點間之間的自旋取向既不是平行又不是反平行,而是之間有相對角度θ∈(0.π)。自旋結(jié)構(gòu)因子的峰值所對應的動量k_(peak)可以表示為相對角度。自旋結(jié)構(gòu)因子在實驗上可以通過時間飛行圖像來探測。5、計算了spin-1系統(tǒng)中自旋張量角動量耦合引發(fā)的大自旋磁性現(xiàn)象。Spin31系統(tǒng)的量子磁性不僅需要自旋-矢量還需要自旋-張量。特定形式的自旋-矢量序(鐵磁、螺旋等等)和自旋-張量(序向列受挫)被大量的研究,但是自旋-矢量和自旋-張量兩者共存、相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)卻還是研究的空白。我們在這里,我們在理論上提出一個spin-1的海森堡鏈外加一個螺旋自旋-張量塞曼場,并發(fā)現(xiàn)了新的量子螺旋自旋-張量序相。而且,該系統(tǒng)可以在超冷原子光學晶格實驗中使用拉曼過程誘導出自旋-張量--動量耦合實現(xiàn)。我們通過密度矩陣重整化群(DMRG)的計算,得到了基態(tài)相圖,并表征了自旋-矢量和自旋-張量序的共存及其之間的相互關(guān)系。我們的結(jié)果可以為探索大自旋系統(tǒng)中的新型磁序和自旋-張量電子或者原子電子學開辟了道路。
【圖文】：

冷原子光學晶格實驗中構(gòu)造的不同種類光晶格的示意圖

一維光學晶格的能帶結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O43

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本文編號：2679614