旋量玻色-爱因斯坦凝聚体拓扑性质的研究进展

实现玻色-爱因斯坦凝聚的原子大多具备内部自旋自由度,在光势阱下原子内部自旋被解冻,从而使原子可以凝聚到各个超精细量子态上,形成旋量玻色-爱因斯坦凝聚体.灵活的自旋自由度成为体系相关的动力学变量,可以使体系出现新奇的拓扑量子态,如自旋畴壁、涡旋、磁单极子、斯格明子等.本文综述了旋量玻色-爱因斯坦凝聚的实验和理论研究,旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中拓扑缺陷的种类,以及两分量、三分量玻色-爱因斯坦凝聚体中拓扑缺陷的研究进展.

旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中的自旋压缩

自旋压缩是量子力学中的重要概念,最近发现其与量子信息中的纠缠判据有着密切联系。提出了一种利用激光脉冲制备旋量玻色-爱因斯坦凝聚(SBEC)的自旋压缩态的理论方案。利用单模近似,得到了SBEC的含时波函数,以及压缩角和自旋压缩参数的解析表达式。通过研究SBEC的自旋压缩可以看出,增强激光脉冲与凝聚体之间的耦合强度可以制备压缩程度更高的自旋压缩态。

自旋轨道耦合自旋1旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中波的传播

研究了自旋轨道耦合自旋1旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中线性与非线性波的传播特性.通过引入一个平面波解,分析讨论了系统在弱扰动下的线性波解,发现自旋轨道耦合的引入不仅导致系统平面波解存在条件更加苛刻,而且显著影响了系统基态性质.另外,通过将三组份Gross-Pitaevskii(GP)方程简化为单组份的非线性薛定谔方程,分析讨论了强扰动下系统激发的非线性孤子解,发现孤子的振幅随波数和原子间相互作用的增加而增大,而孤子的宽度随波数和原子间相互作用的增加而减小.

自旋扭曲光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体

研究了自旋依赖双层方形光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates,BEC)的基态特征.双层晶格间的相对扭曲角度和层间耦合强度是影响超冷原子密度分布的重要可调参数.当光晶格的最低能带呈单阱色散时,超冷原子在莫尔晶格(Moire lattice)中的局域化受扭曲角度、层间耦合强度、原子数和晶格深度等的影响;当光晶格的最低能带呈双阱色散时,光晶格的扭曲可导致2个自旋态的反向扭曲,随着层间耦合强度的增加,2个扭曲的自旋态逐渐重合.该研究工作有助于深入探索扭曲光晶格超冷原子中的新奇量子效应.

双组分玻色-爱因斯坦凝聚体中PT对称势下的异步量子Kármán涡街

数值研究了相混合态双组分玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate,BEC)中PT (parity-time)对称势下的动力学.在障碍势不同的宽度和速度下发现了异步量子Kármán涡街、斜向漂移涡旋偶极子、V字形涡旋对、无规则量子湍流以及各种尾迹的组合模式.研究了作用在移动障碍势上的拖拽力,分析了涡旋对产生的力学机理.在不同障碍势宽度和速度下,系统地模拟了异步量子Kármán涡街和其他尾迹模式的参数区域.同样分析了PT对称势中具有增益-损耗强度的虚部对异步量子Kármán涡街稳定性的影响.最后,提供了一个实现异步量子Kármán涡街的实验方案.

PT对称势下自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的能带结构

数值研究PT对称势下具有自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的能带结构.用傅立叶配置法求解布洛赫能带,分析PT对称晶格势的深度、虚部相对大小、自旋轨道耦合强度和拉比耦合强度对能带结构的影响.结果表明,第一、二能带的上下边沿随晶格深度的增加而上升,但能带宽度变窄;当PT对称晶格势的虚部大于临界值时,第一和第二能带发生重叠;随着自旋轨道耦合强度的增大,第一和第二能带的上下边界均减小;拉比耦合强度对能带结构也具有重要影响.

单分量和二分量玻色-爱因斯坦凝聚体亮孤子解的李黄杨修正

李黄杨(LHY)修正是指玻色-爱因斯坦凝聚体中的自陷态,通过平均场(MF)态周围的量子涨落引起的有效自排斥来稳定,但LHY修正可能会影响玻色-爱因斯坦凝聚体亮孤子的基态,导致亮孤子试探解产生一定的适用范围。本研究利用变分近似法和以Gross-Pitaevskii方程为基础的数值模拟方法,通过将准一维情况单分量和二分量的玻色-爱因斯坦凝聚体基态模型加入LHY修正,计算了2个系统的试探解和数值模拟解。计算表明,对于准一维带有LHY项的单分量和二分量玻色-爱因斯坦凝聚体,当系统的LHY系数G在一定情况下可以通过变分法得到较好的静态近似解。本文的研究对于获得准一维情况下带有LHY项的单分量和二分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态解析解的条件提供了理论支持,为今后研究该系统的性质和物理内涵提供了帮助。

自旋张量-动量耦合作用下自旋1玻色-爱因斯坦凝聚体的调制不稳定性

研究了自旋张量-动量耦合作用下自旋1玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)中连续波态的调制不稳定性.借助于扰动频率和波数之间的色散关系,研究发现系统的调制不稳定性可以用六个不等价的分支来充分描述.进一步分析表明,在给定拉曼耦合强度和原子-原子相互作用强度下,动量空间中调制不稳定增长率分布关于k=0是对称的,并可用若干不同的不稳定带来表征.本文也计算了在相同参数条件下自旋-轨道耦合自旋1 BEC中调制不稳定的增长率,并与前者的结果进行了比较.除了不同的谱带数目和谱带强度外,具有自旋-轨道耦合BEC的调制不稳定性实际上只与三个不等价的分支有关,这源于它与具有自旋张量-动量耦合BEC系统的单粒子哈密顿量的不同对称性.这些结果不仅有助于人们理解系统基态的非线性动力学性质,而且有助于对系统中可能存在的非线性激发进行系统分析.

玻色玻色-爱因斯坦凝聚体中三体和四体相互作用对自旋压缩和量子纠缠的影响研究

自旋压缩和量子纠缠在量子信息处理中有着极为重要而广泛的应用,因此利用玻色-爱因斯坦凝聚中的多体相互作用产生自旋压缩和量子纠缠具有重要意义。研究了玻色-爱因斯坦凝聚的密度较大时,三体相互作用和四体相互作用对自旋压缩和量子纠缠的影响,利用短时近似解析计算了自旋压缩参数和两种不同的纠缠参数。结果表明:在动力学过程中,三体相互作用和四体相互作用能诱导产生自旋压缩和量子纠缠;且四体相互作用比三体相互作用能产生更强的自旋压缩和更好的量子纠缠。

自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚系统的孤子解

在旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中,孤子态作为宏观量子效应的典型状态,可以通过自旋-轨道耦合进行调控,这使得对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子的研究成为近年来超冷原子领域研究的重要课题之一.本文研究了描述一维自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚体Gross-Pitaevskii方程的精确求解,利用直接假设及可积约化方法,给出了系统多种类型的孤子解,讨论了相应的孤子动力学以及自旋-轨道耦合效应对系统的量子磁化和自旋-极化态的影响.

自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体激发谱及其有效调控

利用Bogoliubov理论研究了自由空间中可调自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates, BECs)的激发谱.通过高频近似得到具有两体相互作用时与时间无关的有效Floquet哈密顿量,从而获得一种可调的自旋-轨道耦合和一种可由周期驱动拉曼耦合调控的有效两体相互作用.基于系统有效的Floquet哈密顿量,得到凝聚体具有相互作用时的色散关系,发现周期驱动强度可以有效地调控色散关系的结构,即周期驱动的拉曼耦合可以调控系统在零动量相与平面波相之间的相变.进一步利用Bogoliubov理论得到系统的Bogoliubov-de-Gennes (BdG)方程,分别研究了凝聚体在零动量相和平面波相中的激发谱.发现零动量相中的激发谱均为声子激发,且激发谱随周期驱动强度的增加表现出贝塞尔函数的行为;平面波相中的激发谱存在声子激发和旋子激发,当周期驱动强度增加时,旋子模出现软化现象.因此,可以通过周期驱动拉曼耦合实时地调控自旋-轨道耦合BECs激发谱中的声子激发和旋子激发.

自旋张量-动量耦合玻色-爱因斯坦凝聚的动力学性质

利用高斯变分近似及基于Gross-Pitaevskii方程的数值求解,研究了一维自旋张量-动量耦合玻色-爱因斯坦凝聚中平面波态的动力学性质,发现基态为双轴向列态,其动量随Raman耦合强度的增加而单调递减.在微扰作用下,基态具有动力学稳定性,且展现出3种不同的谐振模激发,激发频率与Raman耦合强度、谐振子势阱的纵横比及相互作用强度有关.通过数值求解变分参数满足的运动方程和Gross-Pitaevskii方程,发现体系随时间演化将展现出周期性振荡行为.

偶极旋量玻色-爱因斯坦凝聚体在外场中的自旋混合动力学

探讨了外场中偶极旋量玻色-爱因斯坦凝聚体的静态和动力学行为.研究结果表明,可以调节外场、自旋交换相互作用和偶极-偶极相互作用来调控三组分之间的隧穿,控制布居数动力学演化范围和相对相位动力学行为.

双组分玻色-爱因斯坦凝聚体的混溶性

基于包含Lee-Huang-Yang修正的物态方程,研究了具有排斥相互作用的双组分玻色-爱因斯坦凝聚体在平均场弱失稳区间的基态相图.根据相平衡条件,确定了等质量混合体系中不混溶态、部分混溶态以及均匀混溶态之间的相边界.在原子密度足够稀薄的情形下,给出了相边界和量子临界点的解析表达式.讨论了密度响应的静态极化率在量子临界点附近的发散行为.对于不等质量的双组分凝聚体,利用低浓度展开的物态方程,得到了部分混溶态出现的阈值密度,并提出了判断部分混溶构型的解析方法,为钠、钾、铷等冷原子混合体系的实验观测提供了明确的理论指引.

梯度磁场中自旋-轨道耦合旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态研究

利用准二维Gross-Pitaevskii方程,研究了在梯度磁场中具有自旋-轨道耦合的旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.探索了自旋-轨道耦合作用和梯度磁场对基态的影响.结果发现,在梯度磁场下,随着自旋-轨道耦合强度增大,基态结构由skyrmion格子逐渐过渡为skyrmion列.对于弱自旋-轨道耦合和小旋转频率情况,增大磁场梯度强度可导致基态由平面波相转变为half-skyrmion;对于强自旋-轨道耦合和大旋转频率情况,梯度磁场可诱导hidden涡旋的产生.梯度磁场、自旋-轨道耦合和旋转作为体系的调控参数,可用于控制不同基态相间的转化.

三体作用下准一维玻色-爱因斯坦凝聚体中表面带隙孤子及其稳定性

数值研究了具有三体相互作用的均匀介质界面和半无限雅克比椭圆正弦势下准一维玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate,BEC)中的表面带隙孤子及其稳定性.在平均场近似下,其动力学行为可用3次-5次Gross-Pitaevskii方程描述.首先用牛顿-共轭梯度法寻找表面带隙孤子,发现表面亮孤子仅当化学势小于0时才可于带隙内激发,但表面扭结孤子和气泡孤子既可存在于带隙中也可存在于能带中.然后采用线性稳定性分析和非线性动力学演化研究了孤子的稳定性,结果表明三体相互作用会明显影响表面亮孤子的稳定性,表面扭结孤子既有稳定的也有不稳定的,但表面气泡孤子均不稳定.

线性塞曼劈裂对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中亮孤子动力学的影响

利用变分近似及基于Gross-Pitaevskii方程的直接数值模拟方法,研究了自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中线性塞曼劈裂对亮孤子动力学的影响,发现线性塞曼劈裂将导致体系具有两个携带有限动量的静态孤子,以及它们在微扰下存在一个零能的Goldstone激发模和一个频率与线性塞曼劈裂有关的谐振激发模.同时给出了描述孤子运动的质心坐标表达式,发现线性塞曼劈裂明显影响孤子的运动速度和振荡周期.

两耦合玻色-爱因斯坦凝聚体间的量子相干振荡(英文)

理论上考察了两耦合玻色-爱因斯坦凝聚体间的相干原子振荡,我们用时空不能完全分离的波函数去描述囚禁在双磁阱中的玻色-爱因斯坦凝聚体,根据托马斯-费米近似,得到两凝聚体的相位差和布局数随时间的演化方程,应用数值计算的方法,考察了相干原子遂穿和宏观量子自囚禁效应.这些研究结果和采用双模时空分离波函数近似法得到的结果进行了比较.

半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉

玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案,研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学,得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明,当自旋相关光晶格关闭后,非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉,形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时,扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射,反射波与入射波产生二重干涉,在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡,干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识,为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.

旋量玻色—爱因斯坦凝聚体平均自旋在外场中的演化

利用平均场理论和单空间模近似,研究了总自旋F=1的旋量玻色—爱因斯坦凝聚体的平均自旋在外磁场的演化行为.理论研究结果表明平均自旋演化行为与对称相互作用无关;当处于不同量子态的粒子数不随时间变化时,体系自旋的行为由外磁场、反对称相互作用决定.