玻色-爱因斯坦凝聚物理本质探索

针对玻色-爱因斯坦凝聚这一课题,综述了玻色-爱因斯坦凝聚理论的诞生和发展、概念,着重阐述了其形成条件、物理机制、性质及其应用,接着将介绍一些玻色—爱因斯坦凝聚的实验和国内外的研究动态,最后展望了其发展前景。

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.

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。

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。

二维光晶格中旋转玻色-爱因斯坦凝聚基态中的涡旋分布

利用多重网格预条件共轭梯度法,研究了囚禁在二维光晶格与谐振势组成的复合势阱中的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体中的涡旋分布,探讨了光晶格深度、晶格常数和凝聚体旋转频率对旋转凝聚体中涡旋分布的影响.结果表明,由于光晶格势阱的引入,凝聚体中产生涡旋,且涡旋位于外部势阱极小值处.随着光晶格势阱深度的增加,凝聚体集聚在光晶格势阱的底部,形成格点状分布,其中的涡旋形成涡旋对,并融合形成更大的涡旋.在晶格常数较小时,凝聚体中涡旋分布形成类似Abrikosov涡旋晶格,随着晶格常数的增加,凝聚体中涡旋的分布形式出现多样化,出现了内中外三层结构.随着旋转频率的增加,凝聚体中涡旋数目也随之增加,涡旋分布也更加复杂和富于变化,凝聚体密度分布范围也随着旋转频率的增加而扩展.当凝聚体旋转频率接近外部谐振势阱的谐振频率,即凝聚体处于最低朗道能级近似时,其中的涡旋数量大幅度增加,且出现涡旋成对组合与融合现象,并形成了涡旋斑图花纹.

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.

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.

玻色-爱因斯坦凝聚中的非正则涡旋态及其动力学

玻色-爱因斯坦凝聚中由于非线性相互作用引起的涡旋激发态一直是超冷原子研究的热点.然而相关研究都集中在具有整数拓扑荷的正则涡旋态.本文研究了具有幂指数、新型幂指数和振荡型三种相位分布的非正则涡旋光与凝聚体相互作用而产生的非正则涡旋态凝聚体的动力学性质.研究表明非正则涡旋具有动力学不稳定性,其密度分布显著依赖于光场相位结构参数.不同非正则涡旋衰变形成具有不同分布的正则涡旋簇,展现出丰富的动力学激发斑图.特别是新型幂指数非正则涡旋态衰变后会在凝聚体内形成稳定的正多边形正则涡旋簇结构.由于非正则涡旋光的相位结构破坏了凝聚体的旋转对称性,凝聚体的角动量不再是量子化的,且其随光场方位角幂次或振荡频率的变化与相应的非正则涡旋光场自身演化具有明显差别.在动力学演化过程中,具有新型幂指数相位的非正则涡旋态凝聚体质心保持不变,而对于具有幂指数和振荡型相位的非正则涡旋态凝聚体,两者的质心轨迹是一个中心为坐标原点的非标准椭圆.

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.

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。

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.

物质第五态:玻色-爱因斯坦凝聚态

玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensa-tion)是70多年前玻色和爱因斯坦从理论上所预言的,它是一种由微观粒子的量子性质而产生的宏观现象。从理论上来讲,处在这种状态的物质在性质上有别于通常所说的固态、气态、液态和等离子态,故有人又称其为第五态。近几十年发展起来的激光冷却技术使实验上第五态的实现成为可能,促使人们深入地对其性质进行研究。在微观上,费米子服从泡利不相容原理。这样。

Floquet相空间方法分析周期驱动下原子玻色爱因斯坦凝聚体动力学

用相空间动力学方法研究一维无限深势阱内的原子玻色爱因斯坦凝聚体受到时域周期性微扰时的动力学行为.通过功角变换和共振频率近似,在Floquet相空间中构造有效的势场来预言玻色爱因斯坦凝聚体的运动,并通过数值模拟实空间动力学方程,验证了该方法.