spin-1玻色-爱因斯坦凝聚体中的卡门涡街

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玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,简称BEC)是指所有原子的量子态都聚集于一个单一的量子态的状态。自从实验上实现以来,BEC就为超流体中量子化涡旋提供了一个清洁且可精确调控的研究平台。卡门涡街是指在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡。寻找BEC中的卡门涡街对于深刻理解经典流体与超流体之间的关系有重要意义。物理学家相继在标量BEC、双分量BEC以及自旋轨道耦合BEC中通过数值模拟发现了卡门涡街。在spin-1 BEC这样的多组分系统中,外部和内部自由度之间的相互作用使得基态和动力学呈现出一系列更加丰富的量子现象,引起了物理学家的广泛关注和研究。然而,关于spin-1 BEC中卡门涡街的相关报道仍然很少。基于此,本文围绕“spin-1 BEC中的卡门涡街”展开研究。对于spin-1 BEC系统中卡门涡街及其动力学的研究,一般来说,基于平均场近似,可以用三分量的耦合Gross-Pitaevskii(GP)方程组来描述该系统的动力学性质。本文通过对耦合GP方程组进行数值模拟,分别研究了反铁磁spin-1 BEC中移动障碍势的涡旋脱落现象以及三分量BEC中二次塞曼效应对卡门涡街的影响。没有磁场时,用虚时演化法计算出反铁磁spin-1 23Na BEC系统的基态,并将基态作为初态,在周期性边界条件下,利用时间劈裂Fourier谱方法进行动力学演化。而考虑二次塞曼效应时,选择耦合GP方程组的一组定态解作为初态进行动力学演化,同样选取spin-1 23Na BEC系统进行数值模拟。数值模拟的结果表明,在反铁磁spin-1 23Na BEC中,两个组分中出现了无核涡旋模式的不同组合,如无核涡街与无核V字形涡旋对的组合、无核涡街与无核涡街的组合等。涡街的稳定性条件小于经典流体中涡街的稳定性条件。量子化涡旋与密度峰结构都会对障碍势产生拖拽力,由密度峰结构引起的拖拽力很小,且与涡旋引起的拖拽力方向相反。当考虑二次塞曼效应时,由于初态选取的不同,在spin-1 23Na BEC的三个组分中均察到了卡门涡街。随着二次塞曼效应的增强,卡门涡街出现的参数区域逐渐减小,说明二次塞曼效应会抑制涡街的产生。同时,二次塞曼效应增强时,涡旋的尺寸也将变小,且涡街的产生将需要障碍势具有更大的速度或者直径。
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