自旋轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚体中的新奇量子现象的研究

Spin-orbit (SO) coupling describes the interaction of the spin of a particle with its motion.In 2011,SO coupled Bose-Einstein condensate (BEC) has been realized experimentally by Spielman’s group at the NIST. This has opened up a new avenue in cold atom physics and has attracted much attention.This project bases on the latest development of the experiments on SO coupled BEC, and chooses the pseudo-spin-1/2 and spin-1 BEC as the main investigated object. With the numerical simulation and theoretical analysis, we will focus on the following three subjects: (1) we study how to use spin-orbit coupling to induce the exotic topological excitations as well as their stability in BEC. (2) by solving the stochastic projected Gross-Pitaevskii equation numerically, we investigate the non-equilibrium dynamics and the formation of topological defects in SO coupled BEC with the non-zero temperature, and we aim to discover some new physics and the mechanism. (3) we develop the mean field theory to describe the SO coupled atomic-molecular BECs, and study the ground state and the topological excitation in the SO coupled mixtures. This project will enhance our understanding of various exotic quantized excitations and their generating mechanism in the SO coupled BEC.

自旋轨道耦合描述了粒子的运动与其自旋相互作用的行为。2011 年，NIST 的Spielman 小组在实验上通过人工合成磁场实现了玻色爱因斯坦凝聚体（BEC）的自旋轨道耦合效应，自此，玻色气体的自旋轨道耦合效应成为冷原子研究领域新的前沿热点课题。本项目根据当前自旋轨道耦合 BEC 实验研究的最新进展，选择赝自旋 1/2和自旋 1 BEC为主要研究对象，通过理论分析和数值模拟等，拟集中开展以下三方面的研究（1）探索自旋轨道耦合效应造成 BEC 中的新奇拓扑激发以及研究其稳定性; (2)利用统计映射 GP方程研究有限温度下自旋轨道耦合 BEC 的非平衡动力性质及拓扑缺陷的形成，发现新的物理现象和物理机制； （3）发展刻画自旋轨道耦合的原子分子 BEC 混合物的平均场理论，研究该系统的基态和拓扑激发。本项目将加深人们对自旋轨道耦合 BEC 中各种新颖量子激发以及其产生机理的认识。

自旋轨道耦合描述了粒子的自旋与其运动的相互作用。自旋轨道耦合在电子系统中能够起到自旋过滤器或施特恩-格拉赫装置的作用。它是自旋霍尔效应和拓扑绝缘体中至关重要的因素。最近，自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在美国国家标准与技术研究院NIST的实验中实现了。与以前的实验相比，他们的工作实际上探索了非阿贝尔规范场中的玻色子系统。这为冷原子物理开辟了一条新途径，并吸引了大量的关注。本项目根据当前自旋轨道耦合 BEC 实验研究的最新进展,选择赝自旋 1/2和自旋 1 BEC为主要研究对象,通过理论分析和数值模拟等, 主要发现了两种新型量子拓扑激发，以及研究了两成分凝聚体中暗孤子动力学行为等。主要工作包括(1)自旋1玻色爱因斯坦凝聚体中的自旋缺陷。我们假设在自旋-1玻色-爱因斯坦凝聚体中有一个无核半量子涡旋,它可以进一步诱发半量子自旋缺陷。在自旋-轨道耦合和外加磁场的联合作用下, 我们发现各向同性自旋轨道耦合提供了局部能量极小值来稳定无核半量子涡旋和相应的半量子自旋激发。并且,自旋相互作用的调节对半量子涡旋的稳定性影响不大。(2)以及找到一种在原子分子玻色爱因斯坦中产生Rashba-Dresselhaus 自旋轨道耦合的方法,并发现了一种二氧化碳状skyrmion态拓扑激发。它由两个分子玻色爱因斯坦凝聚体生成的半量子的skyrmion和一个原子玻色爱因斯坦凝聚体生成的skyrmion耦合形成,其中两个半量子skyrmion位于整量子skyrmion的两边。二氧化碳状skyrmion可以在实验中通过使用时间飞秒吸收成像的技术测量涡流结构来检测。此外，我们发现自旋轨道耦合可以有效地改变K空间中的陈数的产生，这导致从一些分离的二氧化碳状skyrmion拓扑自旋构形单体，合成一个高聚物形链。这项工作提出了在原子分子爱因斯坦凝聚体中产生双层自旋轨道耦合的方案，并开辟操纵拓扑激发的新途径。(3)多成分凝聚体中的暗孤子与畴壁相互作用动力学。玻色-爱因斯坦凝聚的相分离二元混合物可以形成对称破缺状态,其中中心的畴壁可以作为界面。我们详细地探讨了在简谐势阱中暗孤子与畴壁相互作用的传播。