自旋相关外势中两分量玻色—爱因斯坦凝聚体的新奇涡旋相.doc

自旋相关外势中两分量玻色爱因斯坦凝聚体的新奇涡旋相【摘要】：两分量玻色-爱因斯坦凝聚体在旋转或自旋轨道耦合作用下表现出丰富的基态结构。与自旋相关的物理量,如自旋交换相互作用、自旋轨道耦合等在玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构形成方面起了关键重要的作用。本文研究当实空间外势或规范磁场也是自旋相关的情况下,两分量玻色-爱因斯坦凝聚体所表现出来的丰富的基态涡旋结构。首先,我们研究了自旋相关光晶格中旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态性质。我们发现由半量子化涡旋组成的直的涡面可以在这一系统中稳定地存在。同时我们观察到当通过涡面时超流速度所表现出的不连续跃变行为,并分别从数值和解析两方面对这一行为作了定量描述。在赝自旋表象中,我们研究了旋转对自旋畴壁的影响,发现自旋畴壁对旋转的响应是形成空间周期性的“眼眉状”自旋纹理。我们预言这一“眼眉状”自旋纹理普遍存在于相分离的旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的界面上。在外部扰动下,我们观察到系统表现出许多有趣的动力学行为,包括涡旋沿涡面的集体运动、自旋波沿畴壁的传播以及局部自旋进动等。其次,我们研究了自旋相关光晶格中自旋轨道耦合的两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态性质。我们发现自旋相关光晶格和自旋轨道耦合的竞争导致了丰富的基态结构相图。我们证明自旋轨道耦合将两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态相位差锁定在-2,从而打破了自旋沿x-y平面的旋转对称性,将自旋畴壁的类型限定在了布洛赫壁。当自旋轨道耦合足够强时,在自旋相关的光晶格中自发产生了稳定的涡旋晶格结构,并在赝自旋表象表现为周期性的半子对自旋纹理。这一研究结果表明：在自旋轨道耦合的系统中,可以不借助旋转而通过设计合适外势的办法来产生各种稳定的拓扑晶格结构,如涡旋晶格和周期性自旋纹理等。我们的研究加深了对自旋轨道耦合现象的理解,并为在自旋轨道耦合的系统中产生和操控新奇量子态提供了一个新的思路。最后,我们研究了自旋相关规范磁场中两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的涡旋晶格结构。我们发现由于两分量凝聚体所感受到的规范磁场强度的不同,系统的基态表现为各种新奇的涡旋晶格,如多量子化涡旋晶格、二聚涡旋晶格、三聚涡旋晶格、涡旋泡晶格以及单双量子化涡旋共存的涡旋晶格等。我们说明不同的磁场强度比将导致不同的涡旋晶格结构。我们同时指出在磁场强度比固定的情况下,自旋交换相互作用与密度-密度相互作用之比c2c0对涡旋晶格结构起关键重要的影响。另外,我们发现在同时固定磁场比和c2/c0的情况下,绝对磁场强度的变化也会改变系统的涡旋晶格结构。【关键词】：玻色-爱因斯坦凝聚涡旋涡旋晶格畴壁自旋纹理【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：O469【目录】：中文摘要10-12ABSTRACT12-14第一章绪论14-50第一节研究背景14-271.1.1玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)14-161.1.2涡旋16-211.1.3畴壁21-231.1.4自旋纹理23-27第二节国内外研究现状与动态27-391.2.1BEC中的涡旋相27-341.2.2自旋相关的光晶格34-361.2.3自旋轨道耦合的BEC的基态性质36-39第三节本课题研究的目的和意义39-421.3.1本课题研究的目的39-411.3.2本课题研究的意义41-42参考文献42-50第二章理论基础和数值计算方法50-60第一节GROSS-PITAEVSKII平均场理论50-542.1.1模型的导出50-512.1.2二维约化51-522.1.3无量纲化52-532.1.4有效相互作用强度53-54第二节数值计算方法54-592.2.1虚时演化法542.2.2时间劈裂傅里叶谱方法54-562.2.3向前向后欧拉傅里叶谱方法56-59参考文献59-60第三章自旋相关光晶格中旋转两分量BEC的新奇涡旋相60-82第一节引言60-62第二节自旋相关光晶格中的BEC62-633.2.1物理模型62-633.2.2实验方案63第三节涡面63-683.3.1涡旋分布规律63-663.3.2超流速度行为66-68第四节自旋畴壁与自旋纹理68-723.4.1赝自旋表象683.4.2自旋畴壁对旋转的响应68-703.4.3“眼眉状”自旋纹理70-72第五节自旋纹理操控72-74第六节外部扰动下的动力学行为74-77第七节小结77-79参考文献79-82第四章自旋相关光晶格中自旋轨道耦合的BEC82-98第一节引言82-83第二节单粒子能带结构83-86第三节平均场相图86-88第四节自旋畴壁对自旋轨道耦合的响应88-90第五节半子对晶格90-91第六节实验方案91第七节小结91-93参考文献93-98第五章自旋相关规范磁场中两分量BEC的新奇涡旋晶格98-112第一节引言98-99第二节托马斯-费米近似99-102第三节新奇的涡旋晶格102-1075.3.1磁场强度之比为2：1的情况102-1045.3.2磁场强度之比为3：1的情况104-1065.3.3磁场强度之比为3：2的情况106-107第四节小结107-109参考文献