复合势下的三维旋量玻色-爱因斯坦凝聚暗孤子和涡旋

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玻色-爱因斯坦凝聚是近代物理新进展中最备受关注的物理现象之一,先后被用来解释液氦的超流现象,超导体的微观机制等,为研究原子的内部特性以及相应的集体行为提供了一个很重要的平台。随着光阱技术的发展,玻色-爱因斯坦凝聚中原子的自旋自由度得到了释放,形成了旋量玻色-爱因斯坦凝聚,这使得玻色-爱因斯坦凝聚有了更丰富的基态结构和拓扑激发性质,比如自旋磁畴、自旋纹理、无核涡旋、明暗矢量孤子等,为量子信息的存储和处理提供了更多的选择。而在这些研究中,外势起到了至关重要的作用,常见的外势有抛物势、高斯势以及光晶格势等。本文研究了复合势下三维旋量玻色-爱因斯坦凝聚暗孤子和涡旋的稳定性、动力学性质及对应形成的自旋纹理,并对旋量玻色-爱因斯坦凝聚涡旋和无核涡旋在特定方向上进行了操控。论文主要内容包括:  1.运用能量泛函方法和直接数值仿真耦合Gross-Pitaevskii方程组,在三维抛物势和二维高斯势组成的复合势下构造了多种带有不同拓扑结构因子的稳定的自旋为1的三维铁磁态旋量玻色-爱因斯坦凝聚暗孤子,并分析了它们的动力学特性。选择其中一种暗孤子作为例子,分析了其在关键参量空间中的稳定性,得到了稳定性区域。然后通过计算暗孤子的自旋密度矢量,得到了指向自旋消失圆的三维环形自旋纹理结构和自旋密度矢量大小随空间变化的分布。这为更好地理解旋量玻色-爱因斯坦凝聚的磁性性质提供了帮助,也为实验上实现三维旋量玻色-爱因斯坦凝聚暗孤子提供了理论依据。  2.在由沿径向的二维抛物势和沿轴向的一维光晶格势构成的复合势下,研究了自旋为1的三维铁磁态旋量玻色-爱因斯坦凝聚涡旋和无核涡旋。首先,运用能量泛函的方法得到涡旋和无核涡旋的最优初态。接着直接数值仿真耦合Gross-Pitaevskii方程组,以检验涡旋和无核涡旋的稳定性。然后通过计算涡旋和无核涡旋的自旋密度矢量,得到了对应的自旋纹理和自旋密度矢量大小随空间变化的分布。自旋纹理分别为;指向自旋消失圆的三维环形结构和内部区域指向孤岛、外部区域指向自旋消失圆的三维环形结构。最后,缓慢移动轴方向的光晶格势,成功操控了涡旋和无核涡旋。在操控过程中,发现自旋畴进行了分裂、合并的变化。即可以通过控制外势来操控自旋纹理的结构变化,从而更好地理解旋量玻色-爱因斯坦凝聚系统的微观特性,这也将进一步促进量子信息处理的发展。
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