科學家首次預言三維自由空間中存在穩定的孤子

2021-01-21 中科院之聲

中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在冷原子非線性效應的研究方面取得新進展。該實驗室周正威等與美國萊斯大學、以色列特拉維夫大學的合作者在具有吸引相互作用的雙分量玻色愛因斯坦凝聚體中引入自旋軌道耦合，首次預言了在三維自由空間中也會存在穩定的孤子。相關研究成果12月17日發表在《物理評論快報》上，該實驗室博士生張永昌為文章的第一作者。


非線性效應對系統穩定性的影響是非線性物理領域一類非常重要的問題。在一維冷原子系統中，原子間存在吸引相互作用時，系統有穩定的孤子。但隨著空間維度的升高，非線性效應的增強，理論預言在三維或更高維情況下，原子間吸引相互作用會引起系統的崩塌（波函數只有一個奇點）。所以，在以前的研究工作中，為了實現三維空間中的穩定孤子，往往需要藉助外加束縛勢場（諧振子勢，光晶格勢等）。通常認為，在原子間吸引相互作用條件下，三維自由空間中不會存在穩定的孤子。


周正威等從理論上分析了自旋軌道耦合作用的引入對產生三維自由空間穩定孤子的可能性。他們通過維度分析方法估計出：雖然自旋軌道耦合作用的引入不能改變系統基態崩塌的結果，但自旋軌道耦合作用可以改變系統的能譜，從而產生了一個局域的能量極小值點，使系統存在一個亞穩態，在該亞穩態與崩塌之間存在一個勢壘可保證亞穩態孤子的穩定性。


他們通過數值模擬驗證了在不加入任何外加勢場的情況下，自旋軌道耦合作用確實可以使具有吸引相互作用的玻色-愛因斯坦凝聚體處於穩定的孤子狀態。此外，他們還研究了自旋軌道耦合作用的強度和雙分量交叉相互作用對孤子穩定性的影響，以及孤子的動力學性質。這項研究成果在高維穩定孤子的研究領域指出了一種新的方向，也為實驗上束縛冷原子提供了一種新的可能。


上述研究工作得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。



圖：3D 孤子的空間密度分布。（a1，a2）弱交叉相互作用情況；（b1，b2）強交叉相互作用情況。


來源：中國科學技術大學


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