旋量玻色—爱因斯坦凝聚体与微波相互作用中的磁局域场效应

发布时间：2018-05-31 02:16

本文选题：(磁)局域场效应 + 旋量玻色-爱因斯坦凝聚　；参考：《华东师范大学》2017年博士论文

【摘要】：原子玻色-爱因斯坦凝聚体在精密测量、量子模拟、量子信息以及量子计算等诸多领域都存在着重要的应用,是目前物理学中的一个热点研究课题。电磁场是对其进行相干操控的重要工具。在使用电磁场对玻色-爱因斯坦凝聚体进行操控的过程中,玻色-爱因斯坦凝聚体作为一种介质同时也会反过来对电磁波在其中的传播产生影响,即局域场效应。由于超冷原子气体极其稀薄,通常认为局域场效应很弱,可以忽略。但是最近的一些研究表明在考虑诸如玻色-爱因斯坦凝聚体在驻波光场中的衍射等问题的时候局域场效应会有非常重要的影响。目前对局域场效应的研究工作中考虑的主要是光与单分量玻色-爱因斯坦斯坦凝聚体之间通过电偶极跃迁相互作用的情况。在冷原子物理领域中另一个重要的研究对象为旋量玻色-爱因斯坦凝聚体。对旋量玻色-爱因斯坦凝聚体进行相干操控的一种重要工具为微波。微波与旋量原子气体之间主要通过磁偶极跃迁发生相互作用。这种相互作用过程中的局域场效应(为示区别,我们称之为"磁局域场效应",而将前述光与原子气体通过电偶极跃迁相互作用时的局域场效应称为"电局域场效应")目前尚没有引起人们的关注。本文中我们具体研究了自旋量子数为1/2的旋量玻色-爱因斯坦凝聚体与微波通过磁偶极跃迁相互作用时的磁局域场效应,推导得出了系统满足的运动方程,我们发现该效应会同时诱导产生不同自旋态原子间等效的的长程相互作用与短程接触相互作用。以上述理论为基础,首先我们具体研究了一个简单的一维系统。我们的理论分析以及数值计算结果都表明磁局域场效应诱导的等效长程相互作用会引起系统的调制不稳定性,从而在系统中产生稳定的物质波-微波杂合亮孤子。当系统中存在强排斥接触相互作用时,我们用托马斯-费米近似方法构造了系统的解析解,结果表明任意强度的排斥接触相互作用都不会破坏孤子解。一个系统随着维度的增加,通常会呈现出更加丰富多彩的物理现象,所以紧接着我们进一步考虑了一个二维系统。在二维玻色-爱因斯坦凝聚系统中稳定的大拓扑数量子涡旋不仅具有重要的理论意义,同时还由于其在量子模拟、量子信息处理与存储等方面的潜在应用价值而被广泛研究。但是目前其产生仍然是一个尚未完全解决的难题(通常拓扑数大于1即不稳定)。我们的研究表明磁局域场效应诱导的等效长程相互作用可以在系统中产生稳定的亮孤子与亮孤子涡旋(数值验证了的最大拓扑数为5)。当系统中存在吸引接触相互作用且强度超过某一临界值后孤子和孤子涡旋会坍缩。在该临界强度以下,吸引接触相互作用较弱时孤子与孤子涡旋可以稳定演化,较强时孤子的形状会发生振荡,孤子涡旋则会发生分裂。孤子涡旋的稳定性近似与其拓扑数成正比——拓扑数越大越稳定。存在强排斥接触相互作用时,托马斯-费米近似结果表明孤子解不会被破坏。自旋-轨道耦合是指粒子的自旋自由度与其空间运动之间的相互作用。在冷原子物理领域目前可以采用拉曼散射的方法在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现等效的自旋-轨道耦合。最后我们还将磁局域场效应诱导的等效长程相互作用引入到这样的系统,研究了其中的孤子现象。通过数值以及变分方法我们发现系统中可以存在三种不同类型(普通、条纹、平面波)的孤子解,其中普通孤子与条纹可以稳定演化,而平面波孤子则会随着时间增加而逐渐偏离其初始位置运动起来。同时我们还发现相互作用会消除系统中原本存在的一个量子相变。我们的这些研究不仅有助于加深对旋量玻色-爱因斯坦凝聚体与微波相互作用系统的物理认识,同时所研究的孤子还有可能被用来实现物质波干涉仪与原子激光,用于精密测量领域;量子涡旋则在量子信息的处理与存储等方面存在着潜在的应用价值。最后,我们这里的研究还可以扩展到分子玻色-爱因斯坦凝聚体、简并费米原子气体与微波相互作用的情况。
[Abstract]:In this paper , we have studied a simple one - dimensional system . In the process of using electromagnetic field to manipulate Bose - Einstein condensates , the local field effect of Bose - Einstein condensates is considered to be very weak , which can be neglected .
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O469

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