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非对称玻色磁梯中的相变及动力学特性研究

非对称玻色磁梯中的相变及动力学特性研究

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作者：乔鑫西北师范大学

学位级别：硕士

近年来,中性冷原子中人工规范场和光晶格的实现为科学家们利用冷原子模拟凝聚态物理中的相关体系,并探索其中有趣的物理现象提供了一个理想的实验平台。磁梯模型作为一种简单的模型,具有许多人造结构以及一些天然化合物的基本性质,已经... 详细信息

近年来,中性冷原子中人工规范场和光晶格的实现为科学家们利用冷原子模拟凝聚态物理中的相关体系,并探索其中有趣的物理现象提供了一个理想的实验平台。磁梯模型作为一种简单的模型,具有许多人造结构以及一些天然化合物的基本性质,已经成为目前强关联体系的研究热点之一。基于这一模型的大量理论和实验研究为研究许多复杂的物理现象,如量子霍尔效应、拓扑激发、拓扑相变以及霍夫施塔特蝴蝶现象等提供了重要的研究基础。最近,在实验上,科学家利用磁梯系统成功实现了由迈斯纳相到涡旋相的相变过程,这一实验的成功实现不仅为利用冷原子系统模拟超导体奠定了基础,同时也为在低维量子气体中自旋轨道耦合的实现提供了新的途径。对于自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体,通过调控一个外加的塞曼场,可以实现丰富的相变过程。然而,存在类似塞曼场时,对磁梯系统的相变特性和动力学特性的研究仍是一个有待解决的问题。因此,本文重点讨论了这种非对称磁梯系统中所特有的相变和动力学现象。本论文的行文结构安排如下:第一章简要介绍了与本论文有关的背景知识,包括人工规范场以及光晶格的实现和发展历程,并重点阐述了磁梯模型在超冷原子系统中的研究意义和实现过程,同时对于目前磁梯系统的研究现状和存在的问题进行了讨论。第二章主要分析研究了存在外加重力场下的非对称玻色磁梯系统。类比外加塞曼场的自旋轨道耦合系统,通过对拉曼激光的调谐,我们实现了两梯腿之间的一个可控的能量差,从而构造了一种就目前实验条件而言极易实现的,存在类似塞曼场的非对称双腿玻色磁梯模型。在不考虑重力场的作用时,我们解析地获得了包括迈斯纳相、涡旋相以及两个新颖的、打破系统的Z对称性及时间反演对称性的平面波相的基态特性和相变条件。当考虑作用于磁梯的梯腿方向的重力场时,我们理论性地预测了该系统下将会出现丰富的手征布洛赫振荡及朗道―齐纳隧穿现象,并且通过数值模拟验证了我们的理论。有趣的是,研究发现这种布洛赫振荡不仅可以反映该系统的手征特性,同时也可以用来直观地区分系统的相变过程。第三章基于变分理论分析研究了非对称相互作用玻色磁梯系统的量子相变过程。我们首次获得了这种非对称相互作用玻色磁梯系统的完整基态相图,除了传统的迈斯纳相、BLP相和涡旋相,在两梯腿间能量差和原子间相互作用的共同作用下,我们获得了具有不对称双动量的平面波I(PWI)相、非零单动量的平面波II(PWII)相以及具有运动不对称涡旋结构的运动偏置涡旋相(MBVP)。特别地,在磁场、原子间相互作用以及梯子横档与梯腿遂穿强度耦合比的平面上,我们的系统在PWI,PWII以及MBVP的相边界处形成了明显的三相相交点。最后,简要地总结了这两项工作并对我们研究的磁梯系统的研究前景进行了展望。

关键词：玻色―爱因斯坦凝聚体玻色磁梯量子相变布洛赫振荡朗道―齐纳隧穿

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参数调制下一维晶格中玻色—爱因斯坦凝聚的稳定性

参数调制下一维晶格中玻色—爱因斯坦凝聚的稳定性

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作者：马吉利西北师范大学

学位级别：硕士

近年来,周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚受到了广泛的关注,尤其是光晶格中周期性调制玻色-爱因斯坦凝聚的动力学及其稳定性已经成为冷原子物理的热门研究课题。光晶格中周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚系统存在许多有趣的物理现象,比如动... 详细信息

近年来,周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚受到了广泛的关注,尤其是光晶格中周期性调制玻色-爱因斯坦凝聚的动力学及其稳定性已经成为冷原子物理的热门研究课题。光晶格中周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚系统存在许多有趣的物理现象,比如动力学局域化、玻色子的超流态-绝缘态相变以及拓扑能带结构、人工磁场、人工自旋轨道耦合和人工维度等的实现。通过研究有外加周期调制谐振势的光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚动力学稳定性,发现原子间相互作用和周期性调制可以显著地改变玻色-爱因斯坦凝聚的稳定性条件。实际上,玻色-爱因斯坦凝聚中原子间还存在长程的偶极相互作用,但是对同时存在接触相互作用和偶极相互作用的光晶格系统中周期性调制特性的研究目前仍然比较少。因此,本文第一个工作重点讨论偶极相互作用对具有周期性调制谐振势的光晶格中偶极玻色-爱因斯坦凝聚动力学稳定性的影响。另一方面,人工磁场下玻色磁梯系统的相变和动力学研究也受到了广泛关注。发现玻色磁梯系统存在丰富的相变和动力学特性,比如手征流和迈斯纳相等,这对凝聚态物理中超导现象的深入理解具有重要的意义。但是,目前人们主要考虑了自由空间情况,对有外加谐振势的玻色磁梯系统的研究仍然比较少,尤其对有周期性调制谐振势的玻色磁梯系统的研究很欠缺。所以,本文第二个工作研究了外加周期调制谐振势对玻色磁梯系统定态及稳定性的影响。本文的结构安排如下:第一章简单介绍了与本文研究密切相关的背景知识,包括光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚的理论基础,偶极玻色-爱因斯坦凝聚,周期性调制对凝聚体动力学及稳定性的影响,以及玻色磁体系统中相变及动力学研究现状和存在的问题。第二章从理论上研究了有外加参数调制谐振势的一维深晶格中偶极凝聚体的稳定性。通过变分分析和数值模拟两种方法,求解了一个具有短程接触作用和长程偶极-偶极相互作用的无量纲离散Gross-Pitaevskii(GP)方程。解析地得到了凝聚体宽度随系统参数变化的微分方程,由此得到了一个控制凝聚体稳定性的临界条件。研究发现系统的稳定性可以通过接触相互作用、偶极相互作用以及对谐振势周期性驱动强度的耦合作用来调控。此外,还观察到了呼吸态、扩散态以及吸引相互作用引起的囚禁态。通过对离散GP方程做直接数值模拟,解析结果得到了验证。第三章将外加参数调制谐振势下的一维光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚的稳定性研究推广到了人工磁场下的玻色磁梯系统中,研究了具有周期性调制谐振势的玻色磁梯系统的稳定性。解析地得到了玻色磁梯两腿之间无或有粒子数差时的定态方程,讨论了相互作用、谐振势平均强度以及周期驱动强度对凝聚体的波包宽度的影响,分析了凝聚体的波包宽度对两腿间的跃迁振幅和粒子数差的依赖关系。我们发现,当两腿间没有粒子数差时,在弱相互作用下外部谐振势对玻色磁梯中凝聚体的波包宽度有很大影响,随着相互作用的增强,外部周期谐振势对凝聚体波包宽度的影响越来越小。当玻色磁梯两腿间粒子数差较大时,凝聚体波包宽度对两腿间跃迁振幅的依赖性更加明显。进一步解析地得到了有外加周期调制谐振势的玻色磁梯系统的稳定性临界条件,当原子间相互作用、谐振势的平均强度、玻色磁梯两腿间粒子数差以及周期驱动强度满足临界条件时,系统才能达到稳定状态。最后,简要地总结了这两项工作并对这个领域的研究前景进行展望。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚光晶格周期性调制偶极相互作用玻色磁梯

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