在光钟技术中,了解和掌握冷原子气体的物性,可为研究光钟性能的影响因素、光钟原子源的选择等提供理论指导,尤其可为利用光钟实验平台研究广泛的物理问题、提高其应用范围指明方向。在冷原子气体物性研究中,基态结构和动力学是呈现冷原子气体物性的两种重要方式,探寻不同状态下冷原子气体的基态结构和动力学,将为实验物理学家掌握它们的量子调控方法提供有力支撑。本论文将围绕冷原子气体的基态结构、动力学和量子调控方法开展研究工作。我们首先基于平均场理论得到不同情况下冷原子气体的Gross-Pitaevskii(G-P)能量方程或G-P方程,然后采用中心差分法、虚时演化法、实时演化法和分裂时间算符法等数值方法研究系统的基态结构和动力学。主要研究了可调相互作用、自旋轨道耦合、偶极-偶极相互作用、外势等可调控参数对冷原子气体物性的影响,得到了较多的新奇量子现象和量子调控规律。具体如下:(1)具有可调原子间相互作用冷原子气体的基态结构。主要通过改变短程各向同性的原子间相互作用强度,研究囚禁于简谐势+四次势阱中的两分量冷原子气体的基态结构。与单分量冷原子系统相比,两分量冷原子系统增加了原子种间相互作用,所以系统具有更加丰富的基态结构,例如单排涡旋、多排涡旋、环形相、条纹相、菱形涡旋晶格、环形涡旋链等。(2)自旋轨道耦合冷原子气体的基态结构。主要通过调节自旋轨道耦合的强度和方向,研究简谐势+四次势阱和共心双环势阱中两分量冷原子气体的基态结构。研究结果发现:在简谐势+四次势阱中,当原子的种内相互作用相同时,各向异性自旋轨道耦合系统呈现出条形、单排、双排和蛇皮花斑等新奇的基态结构;当原子种内作用不同时,各向同性和各向异性自旋轨道耦合都可以在系统中形成涡旋链,此时剩余的涡旋成对出现,但各向同性(各向异性)自旋轨道耦合使得剩余的涡旋相互排斥(相互吸引)占据不同位置(占据相同位置)。研究共心双环势阱中两分量冷原子气体,发现自旋轨道耦合可以调控冷原子气体的方位角向相分离、径向相分离和相混合,形成了丰富的涡旋结构和自旋纹理结构。(3)偶极冷原子气体的基态和动力学。研究了囚禁于共心双环势阱中偶极冷原子气体的基态结构。在无旋转情况下,偶极-偶极相互作用可以调控两种分量的径向分离相和方位角向相分离相之间的转化;在有旋转情况下,选择合适的偶极-偶极作用强度和旋转速度,在基态结构中能够产生多角涡旋族和涡旋链。还研究了囚禁于光晶格中的偶极冷原子气体,偶极-偶极相互作用可以调控基态结构中的涡旋结构和涡旋个数。在偶极-偶极相互作用对动力学的影响方面,我们对比研究了无偶极和有偶极两种情况下,冷原子气体的涡旋形成过程及其非线性动力学。研究发现:在无偶极情况下,不可穿透的障碍势移动时,系统能产生涡旋蜕落;对于中等速度的移动障碍势,蜕落周期和涡旋图样与障碍势的直径有关;在较高的移动速度情况下,系统容易形成涡旋对和涡旋偶极子;在有偶极情况下,当障碍势移动速度大于临界速度时,偶极-偶极相互作用对系统的涡旋动力学有着重要影响,可使系统形成涡旋对、涡旋偶极子和简单涡旋,这些涡旋对、涡旋偶极子和简单涡旋又可形成卡门涡街。