Rabi耦合下玻色爱因斯坦凝聚体中矢量暗孤子的研究

Bose-Einstein condensates (BECs) has attracted many attentions of recent investigations. They not only provide a new platform to the nonlinear phenomena but also offer the perfect macroscopic quantum systems for investigating various fundamental problems in quantum mechanics. Some investigations have shown that the control of the electromagnetic ?eld can induce the Rabi coupling of the BECs of two hyper?ne states, and the components of BECs switch with each other. In this study, we concentrate on the dynamics of a dark soliton in BECs under the Rabi coupling. We find the Rabi coupling can be used to controllably change the normal dark soliton into the dynamic vector dark soliton or the ordinary vector dark soliton. The structure of the created dark soliton as well as its dynamic properties depends on lots of factors such as the strength of Rabi coupling, the temporal ratio of each BEC, and the inter- and intraspecies interaction strength, etc. Furthermore, the array of some vector solitons will be explored in this system. Not only does our study gives an experimental protocol to observe the vector dark soliton in experiments, but also provides a reference to explore the related topological excitations such as the half-vortex, Skyrmion, and monopole.

玻色爱因斯坦凝聚体是当前科学研究中广泛关注的热点之一。它不仅为各种非线性现象提供了全新的研究平台，也为量子力学基本问题的研究提供了一个宏观系统。当前研究发现，在两个超精细态构成的多组分原子凝聚体中，通过电磁场控制，可使凝聚体发生Rabi耦合，使组分间出现相互转化现象。本项目主要研究存在 Rabi耦合时，玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子的动力学行为。利用Rabi耦合现象，我们可以使玻色爱因斯坦凝聚体中普通暗孤子转变成动态的矢量暗孤子或普通矢量暗孤子。Rabi耦合的强度，产生的多成分凝聚体的各组分的比率，种间与种内相互作用大小的异同等，都将对新生成的孤子的结构，以及动力学性质产生影响。此外，我们还将研究这种体系中的多矢量孤子阵列行为。这项研究不仅会对实验上观测凝聚体中矢量暗孤子提供建设性见解，也将为探索分数化涡旋，Skyrmion，monopole等拓扑激发提供参考。

本项目为理论物理专款博士启动基金。在本项目资助的一年期间，本人通过阅读Rabi耦合与超精细态多组分凝聚体方面的文献并进行相关主题的研究，提高了自身独立科研的能力和素养。采用理论分析、数值计算的方法研究了超精细态多组分凝聚体中的拓扑激发，并完成以下工作：.(1)研究了各向异性自旋轨道耦合造成自旋1玻色爱因斯坦凝聚体中的涡旋链激发。发现各向异性自旋轨道耦合可以使涡旋相互连接排列成链状。涡旋链在旋转频率很低时即可产生，旋转频率较高时，涡旋链与没有形成链状的涡旋同时存在。增加各向异性自旋轨道耦合强度，涡旋链的产生将得到增进，同时还会有其他新奇的涡旋构型出现。我们还发现，只要自旋1与自旋-1成分的相位处于同步状态，涡旋构型就不会造成spin texture的拓扑激发。 (2)研究了自旋轨道耦合的23Na自旋-1玻色爱因斯坦凝聚体中的涡旋斑图。探索自旋轨道耦合的23Na自旋-1玻色爱因斯坦凝聚体中的涡旋斑图。研究发现，较弱的自旋轨道耦合就可以完全破坏不考虑自旋轨道耦合情况下出现的周期性涡旋晶格；在自旋轨道耦合较强的情况下，各自旋态的涡旋易形成涡旋组，它们绕凝聚体中心形成花瓣状涡旋斑图。（3）除以上工作外，我们还探索了自旋轨道耦合下自旋1凝聚体的狄拉克震荡效应，研究了自旋轨道耦合诱发的自旋1玻色爱因斯坦凝聚体中half-skyrmion，以及自旋轨道耦合的赝自旋1/2凝聚体中skyrmion现象，等等。