冷原子中准晶拓扑的测量及一维量子反常Hall效应的任务书.docx

冷原子中准晶拓扑的测量及一维量子反常Hall效应的任务书
一、任务背景
准晶是介于晶体与非晶体之间的一种物质状态，并具有自组织结构。它的周期性结构虽然不如晶体那样规整，但具有对称性，在物理性质和科学应用上有着广泛的研究价值。在冷原子体系中，准晶的产生可以通过利用相干光场和原子相互作用的结合产生周期性势场来实现，这使得研究准晶结构具有更高的可控性和精度。近年来，随着冷原子物理学的快速发展，人们已经开始研究冷原子系统中的准晶结构，并取得了一些有趣的成果。
另一方面，量子反常Hall效应是在极低温度下，强磁场中二维电导产生的非局域量子效应，是一种引人注目的现象。从理论和实验方面的研究角度来看，它对于理解二维电子系统的基本性质和非平衡相互作用很有意义。在已知的一维系统中，量子反常Hall效应被证明是具有重要的关联和拓扑性质的现象。然而，在冷原子体系中，尚未有关于量子反常Hall效应的实验研究。
因此，本任务将探究冷原子中准晶拓扑的测量，并在此基础上，研究一维量子反常Hall效应，从而深入探索冷原子体系中的关联性质和拓扑性质。
二、任务内容
本任务主要包括以下两个方面的研究内容：
1.冷原子中准晶拓扑的测量
在实验中，我们将利用周期性势场的干涉来产生冷原子准晶。然后，我们将通过探测原子的演化及其在相干光场中的传播情况来研究准晶的拓扑性质。具体而言，我们将选择适当的实验方案以及适当的测量技术来探索准晶的边缘态和体态的拓扑性质，比如：
（1）采用自旋波和布洛赫波理论分析准晶中的拓扑保护边缘态，并通过演化方程和相干光场的刻画来探测该边缘态的拓扑性质。
（2）研究冷原子准晶的局域性质，比如，探究准晶中边界信息的传递方式，以及不同边界状态之间的关联。
2.一维量子反常Hall效应的研究
在实验中，我们将通过制备一维玻色超流体系和二维准晶结构来研究量子反常Hall效应。我们将利用相干光场实现周期性势场并在原子体系中施加外部磁场，这将导致在超流体中出现受磁场影响的位相梯度，并形成具有非零Chern数和非平庸的拓扑状态。
具体而言，我们将重点关注以下研究内容：
（1）制备一维玻色超流体系和二维准晶结构，并利用适当的测量技术来探测其中的量子反常Hall效应。
（2）分析量子反常Hall效应的动力学特征，比如，研究体系中的电导和Hall电导的关系，分析量子反常Hall效应中的关联和拓扑性质，以及探究量子隧穿和量子纠缠等现象。
三、任务意义
本任务的完成将可以为深入理解冷原子体系中的关联性质和拓扑性质提供一个有效的途径。具体而言，本任务将提供以下贡献：
1.在冷原子体系中探索准晶拓扑性质的实验研究，将更好地理解准晶结构的形成和演化机制，并揭示其在物理性质和科学应用方面的重要价值。
2.在冷原子超流体系中研究量子反常Hall效应的实验探究，将有助于探究量子体系中的拓扑态和非局域化现象，并为未来量子信息和量子计算的发展提供一定的启示。
3.本任务的完成将可以为以下领域的研究提供基础性的理论和实验研究方法：准晶物理、强关联电子系统、量子拓扑等。
四、任务计划
本任务将分为以下几个阶段：
1.设计实验方案并制备实验样品（2个月）：在实验过程中，将结合理论模型和数值模拟来设计实验方案，并在实验室中制备样品。
2.实验测量与数据分析（6个月）：实验过程中将进行准晶拓扑和量子反常Hall效应的测量和数据分析等工作。
3.理论分析和模拟（4个月）：将使用推导理论模型和数值模拟来解释和预测实验结果，并与实验数据进行比较。
4.论文撰写与交流（2个月）：在完成实验和理论分析后，将进行相应的论文撰写和交流。
五、预期成果
本任务的预期成果如下：
1.发表相关研究成果论文：在完成实验和数据分析后，我们将把相关研究成果发表在重要的学术期刊上。
2.推动相关领域的发展：该任务将启示和促进准晶物理、强关联电子系统、量子拓扑等领域的研究和应用发展。
3.为未来的量子技术发展提供参考：本任务的完成将有助于未来的量子通信、量子计算和量子仿真等领域的发展。
六、任务条件
本任务将在先进的实验室环境和设备中进行，所需设备、耗材及基础物资由承担单位提供。承担单位将提供具有相关研究背景的科学家和博士后来支持本项目的实施。
七、参考文献
1.Bergman,D.L.,&Wu,X.（1999）.Microwaveconductivityofquasicrystals.PhysicalReviewB,60(24),16,239.
2.Chen,J.,Hu,T.,Shi,Z.,Zhang,J.,&Liang,J.（2020）.Realizationofaone-dimensionalBosegaswithcompletetwo-bodyinteractions.PhysicalReviewResearch,2