基本信息

项目名称:
自旋轨道耦合作用下的波色爱因斯坦凝聚
小类:
数理
简介:
该项目主要考虑在某种规范场下(自旋轨道耦合作用)玻色-爱因斯坦凝聚态的行为(波函数)。玻色-爱因斯坦凝聚态是一种新的物质状态,在这种状态下,宏观数目的粒子具有一致的行为。这种物质的态在日常生活中是见不到的。该项目主要应用数值模拟的方法,避免繁难的数学,模拟计算凝聚态波函数。得到了波函数之后,再通过分析的方法,提出简单的模型来理解其行为。
详细介绍:
在冷原子系统中,一种等效的自旋轨道耦合作用可以通过控制原子-激光之间的相互作用产生出来。这里我们研究了自旋1/2和自旋1的带有Rashba自旋轨道相互作用的波色-爱因斯坦凝聚,发现凝聚波函数有不平凡的结构。首先,我们用Bogoliubov变换的方法证明在自旋轨道耦合作用下,传统的凝聚在 态的波函数不稳定。之后用数值模拟的方法,我们发现了基态的两个相。在一个相中,系统基态是平面波,而且系统经常分裂为不同的畴,畴壁是一排涡旋;这个相中,时间反演对称性破缺。在另一个相中,凝聚态波函数是驻波,且有自旋带结构。两个相之间的相变由波色子之间的相互作用强度决定。我们还提供了对这些结果的理论分析,得到相变点。

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  • 自旋轨道耦合作用下的波色爱因斯坦凝聚
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作品专业信息

撰写目的和基本思路

该论文主要讨论自旋轨道耦合作用对波色系统凝聚态波函数的影响与调制。一个量子系统的哈密顿量决定了这个量子系统的行为,所以基本思路是,写出自旋轨道耦合项,加入哈密顿量中,得到新的哈密顿量。用数值模拟中的虚时演化方法,计算出对应该哈密顿量的波函数。其中为了使计算简单,应用了平均场近似。得到数值模拟之后,再试图建立简单的模型,用分析的方法理解数值模拟的结果。

科学性、先进性及独特之处

冷原子物理实验技术的提高使人们能够设计出可以让中性原子感受到的“磁场”。人们一般只知道磁场对费米系统的作用,而这种实验技术使人们能够探索磁场对波色系统的作用。磁场是最简单的阿贝尔场,而自旋轨道耦合是最简单的非阿贝尔场。非阿贝尔场对波色、费米系统的作用都少有研究。目前人们有望通过实验技术在波色系统中实现非阿贝尔场。该论文旨在探讨这一类问题,从理论上给出预言。

应用价值和现实意义

该论文给出了自旋轨道耦合下波色系统的平均场基态波函数。目前,对于非阿贝尔规范场中物质的行为的研究还处于起步阶段,有很多未知的性质等待人们去发掘。这项工作从最简单的情况入手,抓住非阿贝尔场的本质,弱化其他非相关因素,所以其结果在一定程度上能够揭示非阿贝尔场对物质场的影响。对以后的相关研究有一定的借鉴作用。

学术论文摘要

在冷原子系统中,一种等效的自旋轨道耦合作用可以通过控制原子-激光之间的相互作用产生出来。这里我们研究了自旋1/2和自旋1的带有Rashba自旋轨道相互作用的波色-爱因斯坦凝聚,发现凝聚波函数有不平凡的结构。用数值模拟的方法,我们发现了基态的两个相。在一个相中,系统基态是平面波,而且系统经常分裂为不同的畴,畴壁是一排涡旋;这个相中,时间反演对称性破缺。在另一个相中,凝聚态波函数是驻波,且有自旋带结构。两个相之间的相变由波色子之间的相互作用强度决定。我们还提供了对这些结果的理论分析,得到相变点。

获奖情况

1.2010年10月15日在Physical Review Letters 发表,该杂志被公认为物理学一级学科国际最权威的学术期刊,已被国际科学文献索引(SCI)权威检索收录,影响因子为 7.180 2.2011年省级“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖

鉴定结果

单位:中国科学院文献情报中心国内外查新结果:本查新项目委托的“自旋轨道耦合作用下的波色爱因斯坦凝聚”,在国内外公开文献中未见有与之相同的研究报道。

参考文献

1、双组分玻色-爱因斯坦凝聚体中亚稳态存在条件及其寿命,山西大学理论物理研究所,赵华,梁九卿 2、双阱中弱耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的有效势及其亚稳态,山西大学,史慧贤 3、Synthetic magnetic fields for ultracold neutral atoms;Lin, YJ (Lin, Y. -J.); Compton, RL (Compton, R. L.); Jimenez-Garcia, K (Jimenez-Garcia, K.); Porto, JV (Porto, J. V.); Spielman, IB (Spielman, I. B.) 4、Spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates;Stanescu, TD (Stanescu, Tudor D.); Anderson, B (Anderson, Brandon); Galitski, V (Galitski, Victor) 5、Spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates;Lin, YJ (Lin, Y. -J.); Jimenez-Garcia, K (Jimenez-Garcia, K.); Spielman, IB (Spielman, I. B.) 6、Spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate in a tilted optical lattice;Larson, J (Larson, Jonas); Martikainen, JP (Martikainen, Jani-Petri); Collin, A (Collin, Anssi); Sjoqvist, E (Sjoqvist, Erik) 7、Chiral Confinement in Quasirelativistic Bose-Einstein Condensates;Merkl, M (Merkl, M.); Jacob, A (Jacob, A.); Zimmer, FE (Zimmer, F. E.); Ohberg, P (Oehberg, P.); Santos, L (Santos, L.)

同类课题研究水平概述

冷原子实验技术是自从1995年波色-爱因斯坦凝聚态的实现以来,迅速发展的一项实验技术。通过一系列技术手段,人们可以调节凝聚体的多个参数,包括凝聚体所处的场的形状和强度,凝聚体中粒子之间的相互作用等。该实验技术提供了一个重要平台,实验家们在这个平台上作出了各种具有开创性的工作。为了配合实验家以及理解实验结果、探索多粒子物理和凝聚态物理,冷原子理论家也积极探索,一方面对实验工作有指导意义,另一方面也促进了对凝聚态物理的理解。国内的相关实验技术起步较晚,近三年间有了较大突破,能够制成质量比较好的凝聚体。中国科学院上海光机所、武汉物理与数学研究所分别在实验、理论上探索。目前,本校高等研究院的冷原子物理理论研究组十分活跃,接近国际顶尖水平。国外的相关研究比国内发达、活跃。实验方面,法国的Dalibard实验组、美国MIT、NIST(国家标准局)等研究组是冷原子实验最好的地方。理论方面,MIT和U Maryland等作出了很多贡献。与该项目直接相关的研究有U Maryland, TL Ho的理论研究和NIST,Spielman的实验研究。2010年高等研究中心举办了International Workshop on Quantum Gases in Synthetic Gauge Fields,期间TL Ho和Spielman与作者们对本项目做了深入交流。本项目的导师在高等研究院做冷原子物理理论的研究,该项工作引起了国内外同行的广泛兴趣,是非阿贝尔规范场下量子气体性质研究的重要结果,为今后的理论、实验工作提供了极大的参考价值。
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