自旋轨道耦合量子简并费米气体的热力学性质研究

发布时间：2020-11-08 10:23

　　 等温压缩系数κT,是热力学物理中的一个重要物理量,可用来测定液体的流动性、固体的刚度。而在冷原子中,这个物理量广泛应用于判断系统从正常相到玻色爱因斯坦凝聚(BEC)相、从超流相到固体相如超固体和Mott绝缘相的相变。费米简并气体中的自旋轨道耦合(SOC)能从根本上改变S-波超流的命运,从而产生拓扑超流和Majorana零模。本文我们主要研究了自由空间和光晶格中的费米简并气体,在SOC和Zeeman场并存的情况下的热力学性质,内容包括等温压缩系数、压强、压强指数等。首先,我们介绍了,应用平均场理论研究的自由空间三维简并气体,在SOC和Zeeman场共同作用下的量子相变。当Zeeman场很大时破坏超流配对,与之相反SOC增强超流配对的形成。随着Zeeman场的增加,一系列的拓扑量子相变,从有能隙非拓扑保护的超流相到有四个费米点拓扑保护的超流相,再到有两个费米点拓扑保护的超流相。由于SOC和Zeeman场之间的竞争,相图从一个均匀超流相到涉及拓扑非平庸超流态的相分离。其次,在基态量子相变的基础上我们研究该系统的热力学性质,如等温压缩系数、压强、压强指数等。从Gibbs-Duhem方程出发,发现等温压缩系数来自直接依赖于化学势的显式部分和依赖于序参的隐式部分。在BCS极限,等温压缩系数由显式部分决定,其正比于费米面上的态密度;相反在BEC极限,等温压缩系数由隐式部分决定,其反比于系统散射长度。在这两种极限之间,我们发现,在无能隙Weyl超流相区域,等温压缩系数会出现突然增大的反常行为,可以理解为相分离的剩余效应。等温压缩系数的反常行为直接导致反常的压强指数。最后,鉴于自由空间和光晶格的不同,我们研究立方光晶格中费米简并气体的热力学性质。在光晶格中,平均占据数和粒子空穴关于半满填充的对称性成为重要的影响因数。随着平均占据数n的增加,等温压缩系数减小到一个很小的值,但n2κT却随n从零增加到1而单调增加。在强相互作用区域,这个值将趋于n2κT=2/U,这里U为相互作用。自旋轨道耦合和Zeeman场对等温压缩系数的作用是相反的,由于两者的互相竞争,在一些参数区域,等温压缩系数会出现突然增加的奇异行为,同样也会导致奇异的压强指数。在光晶格中这种奇异的等温压缩系数在能隙完全打开的相和Weyl超流相都有发现。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O469;O414.1
【部分图文】：

自旋量子数为整数的为玻色子。另外，他们的多体波函数满足交换对称或交换反对称(费米子)性。在绝对零温，玻色子满足玻色爱因斯坦统计，单上粒子占据数不受限制，即所有玻色原子凝聚到能量最低态上。对于费米于两个全同费米子不能占据同一个量子态的泡利不相容原理，单个量子态占据数只能是 0 或 1，即两个全同费米子不能占据同一个量子态，因此在以下，没有相互作用的费米子会一次占据能量最低的 N 个量子态，从而形，我们称这种费米子的零温行为为费米量子简并[5]。如图 1.1 对比了玻色在零温的占据行为。费米子能够填充的最高能态被定为费米面，这一最高应的能量为费米能FE 。对于均匀理想费米气体，费米能表示为2 22FFkEm 为费米动量。很明显此时的费米能为系统的化学势F E。因为此时系统

( )( )( ) = + = gv u u vVgu v v uV k k k k k k k kkk k k k k k k kk子非对角平均值 = =0k k k k；在零温， = k k 程2g gu vV V E k kk kk, 程(2.1. 20)简化为1 1 1g V 2E kk基态，需要自洽求解能隙方程。从 BCS 超导元激发能谱粒子至少需要 的能量，所以 也称为激发谱能隙，如

( )( )( )( )22111 =20101 =21FFFkFk kuk kk kvk k kkkkk. (2.1. 时系统将会变得平庸：在费米面以下 是均匀，费米面以外是 0(当Fk kv=1k的情形与之相反。2vk动量分布显示了一个很尖的边缘如图 2.2.(a)所示，其中2vk , ,c c k k，此时 BCS 波函数可以写为 FBCS c c vac k kk k. (2.1. 相互作用时， 为一有限值，2kv 和2ku 的分布将变得光滑，不再有费米面，在费内、外同时出现，在 T 0,不仅在Fk k 区域能产生准空穴，Fk k 区域也能产空穴(相应准粒子亦是如此)，如图 2.2.(b)所示。
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本文编号：2874651