自旋轨道耦合的玻色爱因斯坦凝聚的属性研究

Artificial spin-orbit coupling is an advanced research field in ultracold atomic physics, the combination of atomic superfluidity and spin-orbit coupling can generate rich physical phenomena, which greatly stimulates relevant experimental and theoretical investigations. The proposal, basing on the experimentally realizable platform of spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates, will utilize the mean-field theoretical frame to uncover a series of spin-orbit-coupling-induced nonlinear physics. Three relevant stages will be set: (1) in optical lattices, make the new concept of nonlinear fractional periodic solution from the spin-orbit-coupled ground state of stripe phases, study gap solitons to design spatially localized edge states, investigate self-trapping phenomenon using the knowledge from nonlinear Bloch states and Bloch spectrum; (2) discuss the possibility to use the spatially localized spin-orbit coupling to generate stable spin-polarized current in atoms with the aims to design new atomic devices; (3) expand experimental techniques and methods to utilize dynamics of Bose-Einstein condensates to identify the existence of roton -like excitations. The application characterizes the unique properties of spin-orbit-coupled condensates from different view angles and provides an in-depth understanding of the relevant systems. We expect to get several outstanding achievements on the unique nonlinear phenomena in spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates.

人工合成自旋轨道耦合是冷原子物理的前沿研究方向，原子的超流性与自旋轨道耦合结合所产生的丰富物理现象，极大地鼓舞了关于自旋轨道耦合物理的实验和理论探索。本项目基于自旋轨道耦合作用下的玻色爱因斯坦凝聚这一实验平台，拟采用平均场框架，在理论上揭示一系列由自旋轨道耦合诱导的非线性现象，将主要展开三个方面的探索：（1）在光晶格中，基于“条纹相”基态提出稳定的非线性分数周期解的新概念，利用“能隙孤子解”设计空间局域的边缘态，借助于体系的非线性布洛赫能谱特性表征自囚禁现象；（2）利用空间局域的自旋轨道耦合制备稳定的原子自旋极化流，为研制特色的原子器件提供理论方案；（3）通过凝聚体动力学研究来扩展实验检测“旋子”激发谱的手段。本项目从不同角度表征自旋轨道耦凝聚体的特色属性，加深对相应系统的认识，并在非线性效应方面取得一些有特色的原创性成果。

自从2011年实验上首次成功地在原子的玻色爱因斯坦凝聚实现自旋轨道耦合，自旋轨道耦合的玻色爱因斯坦凝聚成为超冷原子物理的前沿研究领域。本项目中我们主要围绕含有自旋轨道耦合的玻色爱因斯坦凝聚系统的非线性效应，来刻画该系统的性质。重点研究了该系统的基态相图和相变、亮孤子、集体激发、超流的稳定性和动力学演化。..主要的研究成果有：（1）我们在自旋轨道耦合凝聚体中提出了一种实验可操作的激发能隙孤子的理论方案，解决了实验中制备能隙孤子困难；发现自旋张量轨道耦合的凝聚体可以存在亮孤子，揭示了自旋张量轨道耦合的对称性对亮孤子的形状和动力学有重要影响。（2）基于目前的两个自旋轨道耦合实验，分析非线性在实验中的作用，我们发现非线性能谱可以导致非线性朗道-芝诺隧穿，而淬火动力学和非线性能谱没有直接关联。（3）偶极相互作用和自旋轨道耦合都能诱导出旋子集体激发，我们发现两者同时存在时可以存在两种不同的旋子激发，自旋轨道耦合可以调节由偶极相互作用产生的旋子，使得其软化，直到发生旋子不稳定性。不稳定后的基态被揭示为超固态。（4）揭示束缚在环形势阱的自旋轨道耦合凝聚体可以产生奇特而稳定的“项链态”，在自旋1的系统中，项链态具有偶数个“珍珠”，而自旋1/2系统中，项链态具有奇数个“珍珠”。（5）在非厄米的周期势场中，揭示非线性对于量子相变的影响，更正了前人的错误结论。（6）发现处于自旋相关的光晶格的两组分玻色爱因斯坦凝聚，由于拉比耦合的存在，导致超流的朗道不稳定性和动力学不稳定性在参数空间中有异常的区间分离。..这些研究极大地丰富了自旋轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚的内涵，对于相关实验有一定的指导作用。项目共发表论文10篇，包括1篇第一作者的Physical Review Letters，和8篇Physical Review A。 在人才培养方面， 在本项目的资助下共培养出5名硕士研究生、出站2名博士后。