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.

具有面内四极磁场的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构研究

通过虚时演化方法研究了具有面内四极磁场的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.结果发现:面内四极磁场和旋转双重作用可导致中央Mermin-Ho涡旋的产生;随着磁场梯度增强,Mermin-Ho涡旋周围环绕的涡旋趋向对称化排布;在四极磁场下,密度相互作用和自旋交换相互作用作为体系的调控参数,可以控制Mermin-Ho涡旋周围的涡旋数目;该体系自旋结构中存在双曲型meron和half-skyrmion两种拓扑结构.

环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态

研究了在环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.探索了自旋-轨道耦合作用和旋转效应对基态的影响.结果发现,在环形势阱下,基态结构呈现环形分布的half-skyrmion链.调节自旋-轨道耦合强度,不仅可以改变体系内half-skyrmion数量,而且能够调控half-skyrmion环形排列的对称性.随着旋转频率增大,体系从平面波相转化为环形对称排列的half-skyrmion链相,最后过渡到三角格子的half-skyrmion相.讨论了自旋相互作用和势阱形状对基态的影响.自旋-轨道耦合强度和旋转频率作为体系的调控参数,可用于控制不同基态相间的转化.

指数型共心圆环外势中玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构

利用数值计算方法研究了指数型共心圆环外势中玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构,给出了势阱参数和原子之间两体相互接触作用对系统基态结构的影响.结果表明:构成圆环状势阱的势垒强度和位置对系统的基态结构影响很大,不同取值得到的基态结构具有很大差异;而当原子被限制在一定范围内时,原子之间的两体相互作用对系统的基态结构没有明显影响.

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。

玻色-爱因斯坦凝聚与光场作用的保真度

利用量子信息论和数值计算方法,对Pólya场态与玻色-爱因斯坦凝聚原子相互作用系统的量子态保真度演化问题进行了研究。讨论了玻色-爱因斯坦凝聚原子间的相互作用强度、 Pólya场态概率参数和分布参数,以及这些物理参数如何影响量子态保真度随时间的演化。研究结果表明:上述三种物理参量均可调制信号传输中的量子态保真度,其中光场概率参数η对量子态保真度的变化影响最大,当η=0.01时,量子信息保真度的值非常接近信息理想传输的情形;另一方面,凝聚原子间的耦合强度越大,量子态保真度呈现出的周期性振荡也越强,但量子态保真度的取值范围不变。

分子玻色-爱因斯坦凝聚态首次形成

据报道,美国和荷兰物理学家成功将钠铯极性分子冷却至接近绝对零度,使1000多个分子处于一个巨大的量子态,形成了分子玻色-爱因斯坦凝聚态。这项成果既可以帮助科学家创造出能无阻力流动的超固体材料,又有助于研制新型量子计算机。相关论文发表于2024年6月3日出版的《自然》杂志上。

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.

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.

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.

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.

不对称双势阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的动力学

研究了玻色-爱因斯坦凝聚体在不对称双势阱中,随着两势阱局域基态能量差和非线性相互作用的变化而表现出的动力学特性.对双模理论的解析分析可以发现,在无相互作用情况下,当双势阱能量差比较大时,凝聚体会主要聚集在初始分布较多的势阱中,而和高低势阱的位置无关.数值计算表明,当相互作用存在且逐渐增大时,凝聚体的分布呈现出不同的变化.当初始分布聚集在一个势阱时,会呈现出先加强聚集,然后促进隧穿,最后又重新导致聚集的现象.同时,通过对相图的分析,利用等效势概念为这些现象的出现给出了合理的解释.为了验证上述现象,还对Gross-Pitaevskii方程进行了直接数值模拟,结果和上述采用双模理论得到的结论一致.

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。

Bessel型光晶格中双组分玻色-爱因斯坦凝聚体的基态解

研究了平面Bessel型光晶格(BL)中双组分玻色-爱因斯坦凝聚(BECs)体系的基态解.从描述三维(3D)BECs体系的动力学方程Gross-Pitaevskii方程(GPE)出发,当垂直方向囚禁频率远大于平面上囚禁频率时,得到了描述2D-BECs体系的动力学方程.利用双组分BECs体系中原子之间相互作用与BL强度相互平衡的条件,得到了平面BL光晶格中2D-GPE的一组基态精确解,给出了基态的原子数分布,总原子数和能量与原子之间相互作用强度及BL势的关系.相对于单组分BEC体系,由于不同组分原子相互作用的存在,使得BL光晶格中双组分BECs基态具有更丰富的结构.当不存在不同组分原子之间的相互作用时,模型简化到单组分体系,并给出了相应的基态解,原子数分布和能量.

共心双环外势中两分量偶极玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构研究

利用虚时演化方法研究了共心双环外势中具有偶极-偶极相互作用的两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构,探索了接触相互作用和长程各向异性的偶极-偶极相互作用对系统基态的影响.研究发现,偶极-偶极相互作用作为系统的又一调控参数,可用于得到系统的不同的基态相,并用于控制不同基态相间的转化.

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.

简谐+四次势中自旋轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构

研究了囚禁于简谐+四次势中具有自旋轨道耦合相互作用的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构;考虑了自旋轨道耦合相互作用和旋转对基态结构的影响;结果发现在自旋轨道耦合相互作用与旋转共同作用下,系统呈现出丰富且新奇的基态结构,如条形、双排和蛇皮花斑状等.