Gross-Pitaevskii theory
玻色子与费米子相互作用
玻色子与费米子相互作用玻色子和费米子是量子力学中两类重要的粒子。
它们有着截然不同的统计特性,这也导致它们在相互作用上表现出不同的行为。
以下是有关玻色子和费米子相互作用的一些重要知识点。
玻色子与费米子的统计特性- 玻色子是可以同时存在于同一量子态的粒子,它们的统计特性使得它们可以自发地形成玻色爱因斯坦凝聚。
- 费米子则不允许两个粒子同时处于同一量子态,这被称为泡利不相容原理。
费米子的这种统计特性导致它们在物理学中占据着重要的位置,例如在形成原子、分子和固体等过程中起着关键作用。
相互作用的本质- 粒子之间的相互作用可以描述为它们之间的相互作用势能,这个势能可以是吸引的或排斥的。
- 玻色子之间的相互作用可以导致它们形成玻色爱因斯坦凝聚,这种凝聚状态在超冷原子中得到了广泛的研究。
- 费米子之间的相互作用可以导致它们形成费米液体,例如在金属中的自由电子就是一个费米液体。
费米液体的行为和性质与玻色爱因斯坦凝聚有着根本上的区别。
相互作用的描述- 以玻色子为例,它们之间的相互作用可以用玻色-爱因斯坦凝聚中的Gross-Pitaevskii方程来描述。
这个方程描述了玻色子的波函数随时间的演化。
- 以费米子为例,相互作用可以用费米液体中的Luttinger-Ward函数或Green函数来描述。
这些函数用来计算体系的能量和相关物理量。
相互作用的调控- 在实际应用中,我们可以通过外部场或其他手段来调控粒子之间的相互作用,例如通过施加电场或磁场等方法实现。
- 这种调控粒子相互作用的方法在冷原子和量子点系统中得到了广泛的应用,可以探索新奇的物理现象和科学问题。
结论- 玻色子和费米子的统计特性使得它们在相互作用上有着不同的本质,这也导致它们在实际应用中表现出不同的物理行为。
- 粒子之间的相互作用可以用不同的数学模型来描述,这些模型可以帮助我们对粒子之间的相互作用进行研究和实验探究。
- 调控粒子之间的相互作用是实现新奇物理现象和开展实验研究的重要手段,在未来的研究中还将继续发挥重要作用。
哈密顿系统一些保结构算法的构造和分析
哈密顿系统一些保结构算法的构造和分析一切真实的,耗散可忽略不计的物理过程都可以用哈密顿系统进行描述.哈密顿系统有两个最重要的性质,一个是辛结构,另一个就是能量守恒.正确计算哈密顿系统非常重要.近年来,能够保持哈密顿系统辛结构或能量的保结构方法已经得到了很大的发展.本文讨论哈密顿系统一些保结构算法的构造和分析,主要研究成果如下:I.近几年,人们构造了等离子物理中洛伦兹力系统的保结构格式,比如保体积格式和保辛格式.然而这些格式都不能保持系统能量.我们把洛伦兹力系统写为一个非典则的哈密顿系统,然后利用Boole离散线积分方法进行求解,得到洛伦兹力系统的一个新的格式.该方法可以保持系统哈密顿能量达到机器精度.II.我们研究如何利用二,三和四阶AVF方法求解哈密顿偏微分方程.对非线性薛定谔方程,空间用Fourier拟谱方法半离散,时间用三个AVF方法进行离散,得到该方程三个不同精度的AVF格式.我们用数值实验验证了这三个格式的精度和保能量守恒特性.III.基于根树和B-级数理论,我们给出了5阶树的带入规则的具体公式.利用新得到的带入规则,我们把二阶AVF方法提高到高阶精度,给出了一个新的AVF方法.我们证明了,新方法具有6阶精度,并且可以保持哈密顿系统能量.我们利用六阶AVF方法求解非线性哈密顿系统,并测试了其精度和能量守恒特性.IV.在哈密顿偏微分方程保结构算法框架下,我们研究了基于系统弱形式的空间离散方法.首先,空间用有限元法或谱元法对偏微分方程进行半离散,把得到的常微分方程组写成一个哈密顿系统.然后,我们用一个保结构方法对这个常微分哈密顿系统进行求解,得到一个全离散保结构格式.我们用这个方法对一维非线性薛定谔(NLS)方程进行求解,其中空间用Legendre谱元法,时间用AVF方法,得到一个新的保能量方法.同样对一维NLS方程,我们在空间用Galerkin有限元方法,时间用Crank-Nicolson格式离散,则得到一个同时保能量和质量的格式.对二维NLS方程,空间用Galerkin谱元法,时间用Crank-Nicolson格式离散,得到一个同时保能量和质量的格式.而对Klein-Gordon-Schrodinger方程空间用Galerkin方法,时间用辛Stomer-Verlet方法离散,得到一个显式辛格式.对自旋为1的Bose-Einstein凝聚态(BEC)中耦合Gross-Pitaevskii(GP)方程,空间用Galerkin方法,时间用隐中点辛格式离散,则得到一个新的同时保系统辛结构,质量和磁场强度的格式.对自旋轨道耦合的BEC中耦合GP方程离散,空间用Galerkin方法,时间用Crank-Nicolson格式,得到的新格式可以同时保能量和质量.我们做了数值实验验证理论结果.。
gross-pitaevskii方程的高阶紧致分裂多辛格式
GP方程的高阶紧致分裂多辛格式第1章引言1.1选题的意义和背景早在1984年的北京国际“双微会议”上,中国计算数学家冯康院士首先系统地提出了辛几何算法【1],这是一种能够保持Hamiltonian系统几何结构的特征的数值方法,经过二十多年的研究,已经取得了大量的理论成果和广泛的应用[1,2],而多辛算法作为辛几何算法的拓展,在上世纪末由T.J.Bridges等提出了[3—5],多辛算法与传统方法如有限元法、有限差分法等相比有不可比拟的优势,如上述传统法由于受到稳定性因素的限制,不能进行长时间的数值跟踪模拟,而辛和多辛算法正好弥补了这方面的缺陷,使其能更有效的用于解决一些实际问题,如天气预报、水坝崩溃、地震监测、生物工程等.辛和多辛格式的研究一直是国内外计算数学界的一个热门研究课题【2,3,4].这些方法被广泛应用于Schrrdinger方程[6,7,8,9],Gross—Pitaevskii(GP)方程[25】、Boussineq方程、Dirae方程,Maxwell方程[10,11]等.自该方法提出以来,国内外大批学者对这一领域进行了研究,并得到了多种构造辛格式的方法,如Runge—Kutta方法[5】,高阶紧致方法【9],分裂法[12,13],生成函数法[14]等.2007年,由B.N.Ryland和R.I.Mclachlan[12]首次提出了分裂步多辛格式解决一维非线性Schrrdinger方程.这篇文章将分裂方法和多辛算法结合使用,从而将复杂的非线性问题转化为一些更易于求解的子问题,同时为求解方程的数值解带来了极大的方便和优点,如守恒性,稳定性和长时间的模拟等.在文【11】中作者首次将分裂多辛格式巧妙的应用于三维Maxwell方程并研究它的性态,包括辛守恒律,多辛守恒律,局部能量和动量守恒律以及长时间模拟性质等.局部一维方法主要是运用降维法的思想,将一个多维问题完全分解为几个一维问题,然后按照某种顺序交替的解几个一维问题,最后一步得到的数值解就是原多维问题的数值解.利用这一思想,近年来局部一维格式已经逐渐受到研究者们的关注,特别是针对多维问题这种复杂的问题,直接求解需要消耗很大的计算内存,现代计算机往往达不到这种要求,因此研究者们开始研究局部一维格式,由于它具有灵活、简单、程序易于模块化等优点,从而特别受到人们的青睐.目前国1江西师范大学硕士学位论文江西师范大学硕士学位论文其中,反对称矩阵M=0—1100O0000000000,K=j1001000—10O孙0—10OHamiltonian函数S(z)=丢[2矿(z)(p2+q2)+fl(p2+q2)2一(V2+w2)].命题3.1:容易验证方程(3.2)具有如下多辛守恒律和局部能量守恒律,多辛守恒律:O(odK——+——=0.优ax其中,∞=dqmdp,K=去(勿^av+aq^51w),局部能量守恒:丝+堡:0.研撖其中E(z)=2矿(z)(p2+92)+∥(p2+92)2+(V2+w2),F(z)=-2(pry+g,w).3.3一维GP方程的分裂多辛格式本节我们讨论分裂多辛格式,首先对问题进行分裂,将GP方程(3.1)分裂为以下两个子问题:iu,=一÷‰,(3.4)f“,=(矿(x)+∥l“12)“,(3.5)经过简单的推导,可得方程(3.4)和(3.5),满足如下点点质量守恒:IⅣ(x,r)12=I“(工,o)12,对于线性问题(3.4)我们构造其多辛结构,由方程(3.2),可知线性问题(3.4)的多辛Hamiltonian系统如下:_gf+三匕=o,只+昙u=o-(3.6)11一jB—jV,】1一三级一jw’GP方程的高阶紧致分裂多辛格式图3:不同时刻的数值解的等高图由图可知数值解的波形大致分布情况.4.8小结本章是对第三章的推广,在利用高阶紧致分裂多辛格式能够很好的解决一维问题之后,提出了该格式是否也能很好的解决二维问题这样一个猜想.我们首先分析下当直接应用分数步多辛算法N--维问题上时,若采用等距离网格剖分,可以发现需要解Ⅳ×Ⅳ个代数方程组,其中Ⅳ为工或Y上的网格点数,当N=100时,需要解104个代数方程组,这将需要消耗很大的计算机内存,此时的方程组数将随Ⅳ呈指数增长趋势,我们可以预想到,当Ⅳ比较大时,计算机是很难求解出这样一组方程组的.为了克服这个弊端,我们利用局部一维分裂多辛方法解决二维问题.局部一维分裂多辛算法的基本思想是把原Hamiltonian系统分裂成一些更简单的子系统,然后针对各个子系统构造多辛算法.基于此思想,把原非线性问题分裂成一些更简单的子问题,首先分裂为线性子问题与非线性子问题,再将二维的线性子问题分裂成为局部一维线性子问题,之后对子问题用多辛算法进行离散.最后通过子系统的适当复合方式得到高精度的分裂步多辛算法.本章构造的高阶紧致分裂多辛格式具有高精度、高效率、灵活性强、稳定性好等特点,但是该格式主要还是针对一个方程进行离散才能够达到比较好的效果,若将该格式推广到两个耦合的非线性方程或者更高维数的抛物型方程之上是否仍然保持良好的性质呢?这将是我们以后的工作计划.35江西师范大学硕士学位论文江西师范大学硕士学位论文由上式(5.16),(5.17)和(5.18)分别消去中间变量P,g,v,w,妒,jlf,,f,叩,结合非线性司题(5.9)的解析解(5.11),可得如下高阶紧致局部一维分裂多辛格式I.高阶紧致局部一维分裂多辛格式I(HOC.LOD—SMSI):“j‘“--U知=i7。
制造玻色—爱因斯坦凝聚体干涉
制造玻色—爱因斯坦凝聚体干涉
佚名
【期刊名称】《光学仪器》
【年(卷),期】2005(27)2
【摘要】科学家发明了一个非破坏性技术,他们用这个技术从两个分离的波色—爱因斯坦凝聚体中虹吸出少量物体,并测量了其间的相差,在玻色—爱因斯坦凝聚体中,原子失去了它们的个性,整体地表现为量子力学的波。
当两个有相差的波叠加时,会产生干涉条纹。
在此之前,将两个分离的凝聚体汇合以产生干涉条纹的尝试是一个破坏的过程,Michelesaba和同事用光散射将单个凝聚体中的一小部原子分出来耦合,
【总页数】1页(P12-12)
【关键词】爱因斯坦;凝聚体;玻色;制造;干涉条纹;非破坏性;量子力学;科学家;波叠加;光散射;技术;分离;相差;原子;物体;波色
【正文语种】中文
【中图分类】O412.1;O469
【相关文献】
1.简谐势阱中含时散射调制造成有(无)阻尼玻色爱因斯坦凝聚体的共振现象 [J], 刘超飞;万文娟;张赣源
2.半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉 [J], 赵文静;文灵华
3.玻色-爱因斯坦凝聚体干涉效应的数值研究 [J], 花巍;李彬;刘学深
4.三体相互作用下准一维玻色-爱因斯坦凝聚体中的带隙孤子及其稳定性 [J], 唐娜; 杨雪滢; 宋琳; 张娟; 李晓霖; 周志坤; 石玉仁
5.一维含时Gross-Pitaevskii方程下三个玻色-爱因斯坦凝聚体间的干涉(英文) [J], 车立新;罗香怡;苏明辉
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核物理中的玻色-爱因斯坦凝聚态
核物理中的玻色-爱因斯坦凝聚态引言在核物理领域,玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate, BEC)是一种非常特殊的物态。
它是由一种特定类型的粒子组成的凝聚体,这种粒子被称为玻色子。
1955年,美国物理学家爱因斯坦预测了这种凝聚态的存在,但直到1995年才被实验证实。
自此之后,玻色-爱因斯坦凝聚态引起了广泛的研究和探索,不仅在实验室中得到了制备,还在理论上引发了许多有趣的问题和现象。
本文将介绍核物理中的玻色-爱因斯坦凝聚态的基本原理、实验制备方法以及一些与核物理相关的应用。
基础原理玻色子统计要理解玻色-爱因斯坦凝聚态,首先需要了解玻色子的统计规律。
根据量子力学原理,存在两种不同类型的粒子统计:费米子统计和玻色子统计。
费米子是一类遵循费米-狄拉克统计规律的粒子,它们满足泡利不相容原理,即不能占据同一量子态。
而玻色子则不受泡利不相容原理的限制,可以占据同一量子态。
玻色-爱因斯坦凝聚态的形成玻色-爱因斯坦凝聚态是由大量玻色子凝聚到一个最低能级的态,形成一个宏观量子态的现象。
在低温下,玻色子的运动受到玻色子泡利分布的影响,越来越多的玻色子占据了凝聚态的最低能级,最终形成了一个相干的玻色子集合。
KG方程和GP方程在理论上,玻色-爱因斯坦凝聚态可以通过Klein-Gordon方程(KG方程)或Gross-Pitaevskii方程(GP方程)进行描述。
KG方程是一个量子场论中用来描述玻色子的基本方程,它可以描述单个玻色子的运动行为。
而GP方程则是对多个玻色子系统进行平均场近似后得到的方程,可以有效描述玻色-爱因斯坦凝聚态的性质。
实验制备方法冷却技术要制备玻色-爱因斯坦凝聚态,需要将玻色子冷却到非常低的温度。
为了达到这一目的,研究者们发展了一系列冷却技术,包括蒸发冷却、Sisyphus冷却、光波冷却等。
这些技术可以将玻色子冷却到几个微开尔文甚至更低的温度,使其趋于凝聚态。
磁光陷阱技术除了冷却技术,制备玻色-爱因斯坦凝聚态还需要使用磁光陷阱技术。
偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子碰撞的理论研究
偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子碰撞的理论研究SHI Yu-ren;YANG Xue-ying;TANG Na;LI Xiao-lin;SONG Lin【摘要】对准一维情形下具有偶极相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate,BEC)中孤子的碰撞进行了理论研究.运用虚时演化法数值求解了Gross-Pitaevskii方程的孤子态解,然后构造了实验中可实现的双孤子态以研究其碰撞规律.发现既存在完全弹性碰撞,也存在完全非弹性碰撞.通过调节偶极作用强度,可实现从弹性碰撞到非弹性碰撞的转变.初始时刻孤子的相位差不仅会影响系统的对称性,也会改变孤子的碰撞类型.【期刊名称】《西北师范大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(055)004【总页数】8页(P44-51)【关键词】偶极BEC;孤子;碰撞【作者】SHI Yu-ren;YANG Xue-ying;TANG Na;LI Xiao-lin;SONG Lin【作者单位】;;;;【正文语种】中文【中图分类】O145玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate, BEC)是物质的一种新型状态.自从实验上发现BEC中的亮孤子后[1],冷原子中孤子的行为便受到广泛关注[2-8].在不同的囚禁外势下,孤子的周期、能量变化都有很大不同.研究表明,通过减小轴向频率和径向频率的比值和原子的损耗,可以延长孤子的寿命,产生非常丰富的新奇现象[9-11].混合冷原子中孤子的特性也令研究者产生了极大兴趣[12-13].由于短距离自旋极化费米子之间强烈的泡利阻塞排斥作用,在反射玻色子-费米子相互作用中不可能存在费米亮孤子.Sadhan[14]等证明稳定的费米亮孤子可以在玻色-费米混合气体中形成.此外,当孤子间相互作用不同时,孤子的性质也会发生改变15-19].例如分子类型的相互作用,使得许多孤子可以存在,其中包括串形、环状或规则格子型孤子分子,其动力学行为会发生很大变化[20].近年来,在实验和理论的研究中量子简并气体的远程相互作用受到很多关注.偶极相互作用是长程力,且各向异性,这些特性会影响凝聚体的基态、稳定性及动力学性质.这些性质提供了一种研究多体量子效应的方式,例如,超流晶体的量子相变、超固体,甚至是拓扑序列等.许多学者针对偶极BEC中孤子间相互作用下的动力学性质也做了大量研究[21-24].Pedri[25]数值研究了准二维情形下具有偶极相互作用的亮孤子碰撞,发现亮孤子在碰撞后合并,这是一种典型的完全非弹性碰撞.文中主要研究准一维偶极BEC中孤子的碰撞.采用虚时演化法得到凝聚体的孤子态,在谐振子势下探究初始孤子的相位差对碰撞的影响.1 理论模型考虑束缚在谐振子势阱中的偶极BEC,在平均场理论框架内,体系的动力学行为可以用Gross-Pitaevskii(GP)方程描述[26]其中,m为粒子质量;Ψ为波函数;满足为总粒子数;原子间相互作用强度g=4πћ2as/m,as为s-波散射长度;外势分别为径向和轴向频率;ρ和z为径向和轴向坐标;偶极相互作用项为极化方向单位矢量;对于磁偶极情形,Cdd=μ0μ2,μ0为真空磁导率,对于电偶极情形,为真空介电常数,为玻尔半径.引入可对方程(1)进行无量纲化.当ωρ≫ωz时,方程(1)可化为准一维GP方程[27]其中,变量上面的“~”已略去;“*”表示傅氏卷积;表征变换后的接触相互作用强度;表征变换后偶极作用强度,为偶极作用与接触作用强度的比值,为z方向的特征长度;为余误差函数;波函数满足2 数值结果2.1 准一维单分量BEC的孤子态单分量BEC在实验上容易操控,对其进行深入探究将有利于对BEC的特性更深入的了解.Thierry[28]等在实验上实现了准二维的具有强偶极相互作用的52Cr原子BEC,通过调节外加磁场减弱s-波散射长度,从而使52Cr原子的偶极相互作用强度变得与接触相互作用可比拟,这将导致原子云的长宽比发生变化.下面研究准一维情形下偶极相互作用与接触相互作用对52Cr原子BEC的影响,采用虚时演化法[29]可得到GP方程(2)的孤子态.文献[27]中给出了动能项与偶极项均忽略时孤子态的解析结果.下面用变分法求解当动能项保留而偶极项忽略(即εdd=0)时的孤子解,即GP方程(2).其拉格朗日密度为[30]采用高斯波包作为拟设(假设波包中心位于z=0处)则有效拉格朗日量为变分参数wz的欧拉—拉格朗日方程为(6)一定条件下,方程(6)反映了在给定初始条件下孤立波的振幅及波宽随时间变化的规律.考虑将N=104个52Cr原子束缚在谐振子势阱中. 52Cr原子磁偶极矩为6μB(μB 为玻尔磁子),原子质量m=8.63×10-26 kg,极化方向取为n=(0,0,1),谐振子频率(ωρ,ωz)=2π(350,35)Hz,则利用Feshbach共振技术[31]可调节接触相互作用系数β1D,调节外磁场可以改变偶极相互作用强度εdd,这样可保证与Thierry 等实验所用参数[28]一致.图1给出了不同参数情况下的粒子数分布图,其中,NS(Numerical solution)表示用虚时演化法得到的数值结果;AS(Analytical solution)表示用变分法得到的解析结果.可以看出,粒子数分布均呈现出钟状孤立子态.图1(a~b)中所用参数分别为β1D=10,εdd=0.4和β1D=100,εdd=0.6,由此计算得到η≈9.55,λ≈-21.07和η≈63.66,λ≈-316.12.在该参数情形下,均有η>0且λ<0,表明近程作用表现为排斥而长程作用为吸引.从图1(a~b)可看出,解析结果与数值结果在较大范围内基本吻合.但图1a中数值结果的振幅比解析结果的要大,这是因为在变分法计算时忽略了偶极相互作用;而在此参数条件下,偶极作用表现为吸引,这会使得孤子振幅增大.图1b中亦是如此.图1c给出了εdd=0.4时粒子数密度随β1D的变化.可以看出,粒子数密度的峰值(可视为孤子的振幅)随着β1D的增加而增大.图1d给出了β1D=100时粒子数密度随εdd的变化.可以看出,孤子振幅随εdd增加而变大,同时孤子的宽度减小.这是由于偶极作用(此时为吸引)增强的缘故.这些结论与文献[28]中实验结果一致.图1 不同参数情形下粒子数密度分布Fig 1 Particle number density distribution under different parameters为进一步研究粒子数密度与原子间接触相互作用及偶极相互作用的关系,图2给出了孤立波振幅max(|Ψ|2)随β1D及εdd的变化.从图2a可以看出,当εdd较小时,孤立波振幅随β1D的增大而逐渐减小;而当εdd较大时,孤立波振幅则随β1D的增加而增大.图2b给出了不同β1D时孤立波振幅随εdd的变化.可以看出,β1D一定时,孤立波振幅随εdd的增加而单调增加(这一点在图2(a)中也有所体现).这是偶极作用与接触作用相互竞争的结果.可解释如下:在图2所示参数条件下,可见始终有λ<0,表明偶极作用始终表现为吸引.吸引作用将会导致孤立波振幅增加,而排斥作用则相反.当εdd>1时,η<0;而当εdd<1时,η>0.说明通过调节偶极作用强度,也可改变接触相互作用的性质.另外,此时当εdd较小时(接近0)η>0而相对较大,说明接触相互作用表现为排斥且排斥作用强于吸引作用,故孤立波振幅较小.而当εdd较大时,相对较小,说明排斥作用减弱,故会导致孤立波振幅变大.图2 不同参数情形下孤立波振幅随β1D及εdd的变化Fig 2 T he variation of solitary wave amplitude with β1D and εdd under different parameters2.2 准一维单分量BEC孤子态的稳定性孤子的动力学稳定性是一个非常重要的问题.不稳定的孤波结构不能长时间存在,而稳定的孤波具有强的抗干扰能力,可以长时间存在,便于实验上观察和进一步研究.Ueda考虑该系统的平衡态(粒子均匀分布的情形),通过计算能量得出,无外势情形下,当-0.5≤εdd≤1时,该态呈稳定性,在外势作用下系统将更加稳定[32].我们用数值方法对系统孤子态的稳定性进行研究,发现在所计算的参数范围0<εdd<2内,孤子态均呈现非常强的稳定性.此结果与系统平衡态下的稳定性有很大不同,也符合孤子的特性.数值研究时采用以下做法,用虚时演化法得到GP方程的孤子态Ψ=φ0(z,t)后,当t=0时刻,在该态上加一微小扰动做为初态Ψ(z,0)=φ0(z,0)然后用时间劈裂傅里叶谱方法[33]对GP方程进行长时间动力学演化,便可研究该孤子态的动力学稳定性. 计算时,取A=0.001,W根据孤子的宽度做适当调整.在不同参数情况下的时间步长也需要调整以保证数值稳定性.图3 不同参数下粒子数密度随时间t的变化Fig 3 Variation of particle number density with time t under different parameters图3给出了不同接触作用和偶极作用强度时,粒子数密度随时间t的变化.可以看出,粒子数密度呈钟状孤子态分布,在扰动下并不随时间发生明显的变化,表明该态是动力学稳定的.为保证数值计算精度,图3中空间网格数取为2 048;为保证数值稳定性,图3a计算时时间步长(无量纲化的)取为10-7;图3b中则需取为10-8.这使得计算量急剧增大.比较图3a,b可以看出,随着偶极作用系数的增加,波包明显变得窄而“瘦高”,这是因为偶极作用表现为很强的吸引作用.从图3b可看出,即使在εdd=1.8的情形下,孤子态仍保持稳定.数值计算时,在尝试的参数范围0<β1D≤200,0<ε<εdd内,均没发现不稳定的孤子态.这种较强的稳定性对于孤子在量子信息、非线性光学、原子输运和原子干涉仪等领域内的应用有着重要的理论指导意义.2.3 双孤子碰撞碰撞是孤子重要的动力学性质之一,影响碰撞的因素也有很多.实验中,可以在系统中放置两份制备好的孤子态BEC以观察孤子之间的碰撞现象.理论研究中可采取如下方式来模拟此碰撞过程,首先用虚时演化法得到GP方程(2)的孤立波解,记此态为Ψ=Ψs(z,0).然后通过空间坐标平移,从而得到两份(甚至更多份)孤子态BEC,分别记为Ψ1=Ψs(z-z0,0)和Ψ2=Ψs(z+z0,0),其中z0为空间平移量.这样制备的双孤子在初始时刻空间位置沿z=0点呈对称分布(理论和实验中均可研究非对称情形,但由于篇幅原因,本文仅研究对称情形).接着取Ψ(z,0)=Ψ1+Ψ2eiΔθ作为初始条件对GP方程(2)进行动力学演化,便可研究双孤子之间的碰撞,这里为初始时刻两孤子态的相位差.进行动力学演化时,采用时间劈裂傅里叶谱方法[33].这种方法精度高,有保持粒子数守恒的优点,被广泛应用于BEC系统的理论模拟[34-37].文献[25]中,Pedri等数值研究了准二维情形下具有偶极相互作用的亮孤子碰撞,发现亮孤子在碰撞后发生合并.这是一种典型的完全非弹性碰撞.但在准一维情形下,我们发现存在两孤立波的完全弹性碰撞.图4a给出了Δθ=0,β1D=50,β1D=50,εdd=0.3时两孤立波的完全弹性碰撞过程.刚开始时两孤立波静止,但在外势和吸引作用下会逐渐加速,相向而行.一段时间后发生碰撞,且在碰撞过程中伴随物质波的干涉现象.碰撞结束后,两孤立波穿过彼此后变为背向而行,并逐渐减速,速度减为0后又重复前述碰撞过程.图4b~e放大给出了孤立波的碰撞过程,从中可以清晰地观察到物质波的干涉现象.Δθ的变化会对干涉条纹产生影响;当Δθ=0时(图4b),两孤子碰撞时出现五个峰值,且中心位置处也为极大值.当Δθ=π时(图4d),虽然干涉条纹仍以z=0为中心呈左右对称分布,但中心位置处变为极小值;和时(图4c,e),碰撞过程中干涉条纹的对称性也不复存在;Δθ取其它值时,也有类似的干涉现象.图4 两孤立波的碰撞(β1D=50,εdd=0.3)Fig 4 Collision of two solitarywaves(β1D=50,εdd=0.3)准一维情形下,也存在类似Pedri等发现的非弹性碰撞.图5给出了β1D=200,εdd=0.6时不同初始相位差情形下双孤子的碰撞.图5a中Δθ=0,初始时刻两孤子均静止.在外势和偶极作用下,它们逐渐加速,相向而行,过段时间后发生碰撞.碰撞后合二为一,然后在z=0附近左右振荡,且振荡幅度随时间逐渐变小.这是一种完全非弹性碰撞,图5b中两孤子在第一次碰撞后穿过彼此,且发生能量转移,对称性也被破坏.这是较典型的非完全弹性碰撞.碰撞后向右运动的孤子振幅变大,且运动相对较短的距离后便向左返回;而向左运动的孤子振幅变小,运动相对较长的距离后便向右运动,然后两孤子再次发生碰撞.二次碰撞后两孤子合并,为完全非弹性碰撞,合并后的孤子在z=0附近左右振荡,但振荡幅度较Δθ=0的情形(参看图5a)大得多.类似的情形在图5c中也存在,和图5b相比仅是在空间上发生了翻转.图5d给出了Δθ=π时双孤子的碰撞.可以看出,两孤子在经过几次非完全弹性碰撞后合二为一,然后在z=0附近作周期性振荡.图5 势场中不同初始相位差时双孤子的碰撞Fig 5 Collisions of double solitons under different initial phase differences in the potential field4 结束语数值研究了准一维偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中双孤子的碰撞.运用虚时演化法数值求出GP方程的孤子态解,然后构造了实验中可实现的双孤子态以研究其碰撞规律.发现不仅存在完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞,还存在从弹性碰撞到非弹性碰撞的转变.碰撞过程中存在明显的物质波干涉现象.初始时刻孤子的相位差不仅会影响系统的对称性,还会改变孤子的碰撞类型.当初始相位差为0或π时,粒子密度分布具有很好地空间对称性;当初始相位差为其它值时,这种对称性被破坏.这些性质表明BEC在原子运输和量子信息方面具有潜在的应用价值.研究结果可为实验上偶极BEC在实验上的研究提供可能的理论指导.参考文献:【相关文献】[1] STRECKER K E,PARTRIDGE G B,TRUSCOTT A G,et al.Formation and propagation of matter-wave soliton 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玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究_刘超飞
收稿日期:2016-01-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(11304130,11365010,61565007);江西省教育厅资助项目(GJJ150685);江西省科技厅资助项目(20151BAB212002);江西理工大学清江青年英才支持计划资助作者简介:刘超飞(1981-),男,博士,副教授,主要从事玻色爱因斯坦凝聚等方面的研究,E-mail:liuchaofei0809@.江西理工大学学报JournalofJiangxiUniversityofScienceandTechnology第37卷第5期2016年10月Vol.37,No.5Oct.20160引言在原子凝聚体中,原子间的排斥相互作用导致了许多有趣的非线性现象,一个最典型的例子就是暗孤子的形成[1-8].实验上,通过相印记[1-2]和扰动原子密度[3]方法,暗孤波已在稀释玻色-爱因斯坦凝聚体中产生.在相印记方法中,凝聚体的一个部分被远失谐激光束短时间照射,使它获得了相移,但没有产生重大的密度扰动.根据相映射实验,将出现一个暗孤立波,以及作为副产品的声波.在随后阶段的相映射实验中,由于其固有的不稳定性和横向激发[4],人们观察到暗孤波退化为涡旋环.另一项实验涉及到通过慢光技术从凝聚体中突然清除一个盘状区域,它将产生暗孤波(暗孤波也将蜕化成涡旋环)和相反传播的声波[3].暗孤子的大小接文章编号:2095-3046(2016)05-0102-10DOI:10.13265/ki.jxlgdxxb.2016.05.016玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究刘超飞a ,潘小青a ,张赣源b(江西理工大学,a.理学院;b.应用科学院,江西赣州341000)摘要:文章从侦测暗孤子能量的角度,全面介绍了玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子发生声波辐射以及与声波相互作用的动力学行为.虽然暗孤子-声波相互作用导致暗孤子能量变化,暗孤子在简谐势阱中,以及简谐势阱受到扰动时,都具有类似粒子运动的动力学行为.考虑Rabi 耦合时,暗孤子还可以转化为稳定传播的矢量暗孤子.文章对玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究的进行全面总结,将加深人们对暗孤子现象的认识.此外,类似暗孤子-声波相互作用的行为,也将出现在其他孤子动力学研究中.关键词:玻色爱因斯坦凝聚;暗孤子;声波;孤子声波相互作用;简谐势阱中图分类号:O469文献标志码:AKinetic study of dark soliton in Bose-Einstein condensateLIU Chaofei a ,PAN Xiaoqing a ,ZHANG Ganyuan b(a.Faculty of Science;b.Faculty of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)Abstract :By exploring the energy of dark soliton,this paper systematically introduces the dynamical behavior of sound-emission of dark soliton and dark soliton-sound interaction in Bose-Einstein condensate.Although the dark soliton-sound interaction leads to the change of the dark soliton ′s energy,dark soliton displays the particle-like behavior very well in the harmonic potential and even in the periodic perturbed harmonic trap.Under the Rabi coupling,dark soliton can transfer into the vector dark soliton,which propagates stably in the condensates.This paper provides a full overview of the kinetic study of dark soliton,and it will greatly increase people ′s knowledge about the dark soliton.Furthermore,similar behaviors of the dark soliton-sound interaction will occur in the dynamical investigation of other soliton.Key words :Bose-Einstein condensate;dark soliton;sound waves;soliton-sound interaction;harmonic trap刘超飞,等:玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究近当前成像技术的极限.在这些实验中,通过一再释放势阱中的凝聚体,让其膨胀,然后采取一个光学吸收图像来实现成像.产生暗孤子的更先进的方法也已经提出[9-10],包括合并相映射和密度工程方法[5-6].暗孤子也可用两个凝聚碰撞产生[11],以及用凝聚体的布拉格光学晶格反映[12-13]产生.迄今为止,在几何形状上,暗孤子的实验可以从球对称[4]到高度拉长的情况(长宽比大于30[2]).这些系统在性质上仍然是三维,致使暗孤子容易由于横向不稳定性而被破坏,从而迅速衰变为涡旋.这是个关键因素,它限制了观察到的孤子寿命,其值约为数十毫秒.然而,最近的实验发现,在准一维凝聚体中,暗孤波将是亚稳的,其寿命可大大延长到直至数秒[14].理论上,根据零温平均场理论,稀释原子形成的玻色爱因斯坦凝聚体可由Gross-Pitaevskii方程描述,它是一个很好的非线性系统.在外势场为零时,Gross-Pitaevskii方程支持暗孤子解.与光学系统的一个重要的区别是,势阱能导致凝聚体有不均匀的背景密度.对于凝聚体中的暗孤波,其性质与光学系统中的暗孤波类似.三维暗孤波由于横向激发,是不稳定的,因此,暗孤子容易衰变弯曲形成涡旋.在实验中,可将凝聚体在横向高度压缩,从而构成所谓的一维体系,而暗孤子的运动则由不均匀的纵向密度控制.总的说来,暗孤子是一个局部的密度缺陷,就像一个凹槽,其周围充满凝聚体.并且,暗孤子的两边存在位相差,它是散焦的色散效应与聚焦的非线性相互作用之间达到平衡的结果.因此,暗孤子的主要特性之一,是能在传播中保持其局域化的形状不变[11,15-17].通常,研究孤子的文章主要是给出新的孤子解,或者探索孤子的不稳定性等.在这篇文章中,系统性的介绍玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究.与大多数论文不同,本文的研究重点是暗孤子能量的计算和动力学演化中的能量侦测.暗孤子受到外界环境的干扰后,发生声波辐射,暗孤子能量降低,速度变快,同时,外界的声波又能反作用于暗孤子,使其能量增加.这种研究暗孤子的方式,最初在文献[18-19]上介绍.实际上,这种研究思路完全可以推广到其他孤子解的动力学研究上.1暗孤子的数值解凝聚体背景密度均匀,且为.则含有速度为和位置在的暗孤子的一维的形式的凝聚体的波函数为:ψs(z,t)=n姨exp(-iμ攸t)·i v+1-v2姨tanh[1-v2姨(z-vt)姨姨](1)这里ξ=攸n gm姨为凝聚体的愈合长度,它可用来刻画暗孤子的尺度.暗孤子的速度依赖于密度n d和通过其中心的相移S.并且,v/c=1-(n d/n)姨= cos(S/2),孤子速度的最大值由Bogoliubov声速度/ C=ng/m姨决定.这里有两个极限情况:①固定暗孤子完全是黑色的,即有一个零密度节点,以及π相滑移;②孤子速度为c时,无相滑移,也与背景的密度无差异,因此难以分辨.图1展示了各种速度暗孤子的密度和相位.一个重要特点是,固定孤子的能量最高,在v=c时,孤子能量基本上为零,这导致人们认为孤子具有负有效质量的设想.由于不会耗散,孤子往往类似于粒子.事实上,对于一阶弱作用力,暗孤子就像一个有效质量为负的经典粒子[11,20-22].这意味着,例如,在一个谐势阱的凝聚体中,暗孤子将趋于来回震荡.S图1各种速度暗弧子密度和相位(b)暗孤子的相位Sπ/20.0-π/2-505z/ξv/c=0v/c=0.25v/c=0.50v/c=0.751.00.50.0-505z/ξ(a)暗孤子的密度nn/nv/c=0v/c=0.25v/c=0.50v/c=0.75第37卷第5期103与纵向均匀系统(如非线性光学纤维)不同,原子凝聚体沿孤子的运动方向有束缚.例如,暗孤子在谐势阱束缚下的凝聚体中,将趋于在势阱中来回震荡.由于这一空间束缚,孤子一般会与其他激发共同存在,例如声波.因此,文中说的孤子并非纯数学意义中的孤子,而是指一个空间区域(即“孤子地区”),该区域存在密度凹陷和相位差,以及其他可能的激发.这可以粗略地视为一个受到扰动的孤子[23].2暗孤子的能量在无限大体系中,重整化的一维暗孤子能量(即除去背景流体的贡献部分)由式(2)给出,E s ol =4攸n 3/21-vc23/2(2)然而,在非均匀凝聚体中,只有当暗孤子在密度局部均匀区域,该方程式才有效.这将在后面的文章中进一步加以说明.还有一种得出一维暗孤子能量方法,它基于对Gross-Pitaevskii 方程的数值积分,即使在密度不均匀时仍然有效,ε(ψ)=攸22m荦ψ2+V ψ2+12g ψ4(3)暗孤子能量E s 是通过对孤子位置Z s 积分一个距离z ints ,然后减去对应的时间独立性背景密度n TI 的贡献,即E s =Z s +z intsZ s -z ints乙ε(ψ)d z -Z s +z intsZ s -z ints乙ε(n TI 姨)d z (4)“孤子区域”必须足够大,以包含暗孤子能量的绝大部分.实际上,暗孤子的速度和背景密度都影响暗孤子密度凹陷处的宽度.图2说明了积分后的各种速度的孤子能量(实线),分别与该区域的大小和背景密度的函数关系.当z ints >5ξ时,积分得到的能量值几乎与从公式(4)(虚线)渐近预测的数值完全相等,所以我们选择“孤子区域”为(Z s ±5ξ).在时间依赖性模拟中,“孤子区域”能含有声波.通常,很难能区分孤子能和声波能,但后者的数值,在孤子的速度不是很大时,是非常小的.3简谐势阱中的暗孤子假设凝聚体在一维谐势阱中,现在考虑暗孤子在凝聚体中的动力学行为,简谐势阱为:V (z )=12ω2z z 2(5)这种势阱通常是由磁场形成.系统在空间上是有限的,这是体系的一个重要特点.因此,凝聚体的大小可用托马斯-费米半径刻画.对于一个束缚频率为ωz 的势阱,托马斯-费米密度分布是一个倒抛物线型,其中n TF =(1-ω2z z 2/2),托马斯-费米半径为R TF =2/ω2z 姨.图3(a )展示了一个速度为v =0.5c 的暗孤子在势阱中,其初始位置为z=0,凝聚体的密度峰值为n 0,纵向束缚频率为ωz =2姨×10-2(μ/攸).实际上,除了在边界附近由于小动能贡献导致‘尾巴’状热云外,托马斯-费米密度分布与真实实验状况吻合得很好(图3(a )).因此,凝聚体的实际大小刚好大于托马斯-费米半径100ξ.在该系统中原子密度的时间演化由图3(b )显示,其纵坐标为位置,横坐标为时间.暗孤子是一个局部的密度极小.它在向势阱壁移动过程中减速,当其密度极小处触及零密度时,孤子的运动方向改变.众所周知,当孤子远离势阱中心时,其相滑移增加,并在最大振幅处达到π.随后,孤子改变其运动方向,孤子的相滑移变到-π.图2通过积分得到的暗孤子能量E s与积分区间宽度z int 的函数关系1.51.00.50.0012345(a )固定背景密度n 0时z int /ξv =0.5cv =0.75cv =0.25cv =0c E s /μ(b )固定孤子速度v =0.5c 时1.00.80.60.40.20.0012345n =n 0n =0.8n 0n =0.6n 0n =0.4n 0n =0.2n 0z int/ξE s /μ江西理工大学学报2016年10月104在谐势阱中的暗孤子,其振荡频率近似为ωz /2姨[14,15,24-28].这是由分析托马斯-费米密度分布得到的,并且人们已用数值模拟证实了这一结论.在图3(b )中,孤子振荡周期约为T s =630(ξ/c ),而势阱的周期约为T z =444(ξ/c ),这与理论预测结果相同.孤子的运动扰动背景流体,致使流体振荡,其幅度约为2%n 0.可以用下式定义背景凝聚体的偶极振荡,D =乙z ψ(z )2d z(6)凝聚体的偶极运动D 和孤子路径Z s 由图3(c )给出.暗孤子的振荡频率为ωz /2姨(实线),它诱发了势阱中背景流体的偶极振荡(虚线),其频率ωz 为[27].在一定程度上,孤子行为就像搅拌器,搅拌着流体.暗孤子将在势阱中加速,孤子由于辐射声波而衰减.在这种情况下,暗孤子的深度将变浅,而其速度将变快,从而更进一步逼近势阱壁,并导致了与反阻尼类似的现象.这与阻尼谐振子相比,结果正好相反.对于阻尼谐振子,其振荡幅度随时间减小.但是,简谐势阱中看不到任何的孤子震荡幅度的净变化,因此,不能推断出孤子的衰变.在图4(a )中仅仅观察到的孤子振幅的小周期调制,例如,围绕其平均幅度,大约有1%的最大调制幅度变化.类似的结果也出现在了孤子能量的进化中,如图4(b )所示.孤子能量的平均值保持不变,但有振荡调制.3.1速度对暗孤子运动的影响图5(a )显示了不同初始速度的暗孤子在一个固定的简谐势阱中的演化路径.增加孤子的速度,其主要结果是孤子振幅增加.但即使孤子速度高达0.7c ,孤子的振荡频率仍保持在预期值ωs =ωz /2姨的周围.但对于运动速度非常快的孤子,如v =0.9c ,如图5(c )中(点虚线),我们看到其值略有偏差,它趋向于数值更高的振荡频率.这很可能是因为这个快速运动的浅孤子进入了凝聚体的边界造成.在边界处,凝聚体的密度偏离于托马斯-费米密度分布.相比之下,较慢的孤子的振荡束缚在势阱中心,而势阱中心的密度分布几乎与托马斯-费米密度分布相同.对于托马斯-费米密度分布,在简谐势阱中的暗孤子的振荡幅度与孤子的初始速度成正比.为比较各种速度的中心孤子,我们可以使用这一关系,重整化孤子的位置.图5(b )显示了孤子位置的重整化图.各速度下的重整化位置随孤子速度的增加而幅度增大.对于不同速度的孤子的能量的振荡演化,这种效应也被观察到,如图5(c )所示.对于快速运动的孤子(例如,v =0.9c )(点虚线),其能量调制延伸到了最初能量的0.4倍.1.00.50.0-1001001.00.50.0z /ξn /n 0V /μ(a )凝聚体在简谐势阱中的密度(左轴,实线),其中ωz =2姨×10-2(μ/攸)(右轴,虚线).速度为v =0.5c 的暗孤子在势阱中心.图4简谐势阱中暗孤子振幅与能量关系E s /μ0.860.850.845000100001500020000t /(ξ·c -1)(b )暗孤子能量E s 的演化100-100z /ξ(b )凝聚体随时间演化的重整化图500-50500-505001000150020002500t /(ξ·c -1)(c )暗孤子位置Z s (实线,左轴)和凝聚体的偶极运动D (虚线,右轴)图3简谐势阱中的暗孤子运动z s /ξD /ξ2n 05001000150020002500t /(ξ·c -1)5150z S/ξ(a )暗孤子离开势阱中心的距离Z s5000100001500020000t /(ξ·c -1)刘超飞,等:玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究第37卷第5期105刚才我们已经看到,这些小的位置和能量调制,由振荡孤子对背景流体的干扰产生,随后反馈到孤子上.孤子速度越快,有效质量越小,所以背景流体的振荡将会对它们有更大的反馈作用,从而引起更大的调制.3.2束缚势阱强度对暗孤子行为的影响增加势阱的纵向强度,同时保持凝聚体密度峰值固定,这将减少凝聚体的空间范围.对于固定速度的孤子,振荡振幅的绝对值下降,但仍然与托马斯-费米半径形成一个近似的常数比值.图6(a )显示了各种强度的简谐势阱中,暗孤子位置的变化,其位置已根据托马斯-费米半径重新标度,而时间单位也调整为ω-1z .对于较低的势阱频率,例如,ωz =2姨×10-2(μ/攸)(黑色实线),暗孤子的振荡频率即为其分析预测值ωz /2姨.而对于较高频率的势阱,例如,ωz =62姨×10-2(μ/攸)(点虚线),暗孤子的振荡频率比预测值大.图6(c )给出了各种初始速度的孤子的振荡频率与势阱频率的函数.对于弱势阱有ωs /ωz ≈2姨,分析值与预测值吻合(虚线).然而,增加势阱的强度,ωs /ωz 的比值偏离预测值,并随势阱强度的增加而单调增加.这种偏差是不可忽略的,在这里的势阱频率范围里,这个值可高达10%.造成此偏差的原因,是因为对孤子频率的分析预测值,假定了凝聚体为托马斯-费米密度分布.在我们的数值方法里,其密度峰值保持固定,这一假定仅对弱的简谐势阱有效(大量的粒子).图6(d )显示了整个凝聚体在各种势频率中的轴向密度分布.随着势阱频率的增加,密度越来越背离倒抛物线型的托马斯-费米密度分布.这偏差在凝聚体的边界处最为明显.甚至可以看到"尾巴"状的低密度伸展通过托马斯-费米半径.为了突出这种偏差,文章还在同一图中绘制了实际密度与托马斯-费米密度分布的差值.文章认为,这一偏差可以解释暗孤子的振荡频率与势阱频率的变化有关.当势阱强度增加时,暗孤子位置(图6(a ))和能量(图6(b ))的调制,由于暗孤子与偶极振荡相互作用的增大而增加.在这里,凝聚体的尺度减小,从而其有效质量降低,而孤子基本保持相同的大小.因此,振荡暗孤子诱发背景凝聚体相对更大的扰动,从而导致孤子的动力学调制更大.4在周期性扰动势阱中的暗孤子通常,人们假设凝聚体在静态简谐势阱中,势阱为V har (x )=m ω2x 2/2,ω是势阱的频率.在这里,我(c )孤子能量的演化,该结果经过了由最初的孤子能量E inits 的重整10002000300040005000t /(ξ·c -1)图5不同速度暗孤子在简谐势阱中位置与能量演化1.00.80.60.4E s /E s i n t10610410210098z S /v s /ξ(b )暗孤子在势阱中的距离(用孤子速度重整后的结果)10002000300040005000t /(ξ·c -1)100500-50-100z s /ξ(a )暗孤子在无限深简谐势阱(ωz =2姨×10-2(μ/攸))中位置的演化.其中初始速度v /c =0.1(实线),0.5(虚线),0.7(点线)和0.9(点虚线)10002000300040005000t /(ξ·c -1)江西理工大学学报2016年10月106们考虑整个势阱存在扰动,这种势阱可写为V Ext (x ,t )=m ω2[x +h sin (ωd t )]2(7)h 和ωd 分别是扰动的幅度和频率[29].我们用数值模拟对以上模型进行研究.图7显示了在各种振幅的扰动下,孤子能量的演变.显然,孤子的运动方向与扰动的运动方向的耦合决定了孤子的演化.在没有扰动的情况下(h =0),该模型将退化为孤子在简谐势阱中的振荡试验.在这种情况下,孤子在背景密度不均匀的凝聚体中传播,其外形变得不对称,同时它还会向相反方向辐射声波[18].众所周知,在简谐势阱中的孤子的振动频率为ωsol =ω/2姨,孤子会发射和重新接收声波.总体而言,孤子不断受到孤子自身带来的流体的扰动,但并不会衰退.当势阱的运动方向与孤子的运动方向相反时(h >0),孤子往往首先获得能量直至达到峰值,然后孤子能量减小到原来的值.这种能量的增益损失周期性的重复.能量变化的周期为1516ξ/c .因此在大量的时间里孤子能量比其初始值大.增加扰动幅度,可以提高孤子在其能量循环中获得和失去能量的能力.相反,当势阱与孤子的移动方向相同时(h <0),孤子往往首先失去能量直至最低值,然后它重新获得能量,恢复其原始值.这个过程构成一个损失获得循环,其周期为1516ξ/c .同样,增加扰动的幅度,孤子失去更多的能量,然后恢复至初始值.因此在大量的时间里孤子能量比其初始值小.实际上,图7比较了在受周期性扰动和不受周期性扰动的简谐势阱中,暗孤子的演变.图8显示了在各种振幅的扰动下,相应的暗孤子的位置的演变.一般来说,凝聚体会伴随势阱运动.由于势阱的振幅和振荡频率都非常小,势阱振荡导致孤子的轨道与没有受扰动的情况(h =0)发生偏离.孤子振荡周期出现波动.整体而言,孤子的振荡频率仍然围绕着ωsol =ω/2姨.因此,这一特征也确保了势阱移动的方向与孤子移动方向的耦合.当势阱与孤子有相同的运动方向时,凝聚体伴随势阱运动.因此,孤子被携带着运动,它偏离振荡中心更远.从而使孤子能量往往比原来的值小(见图8).但是,当势阱运动与孤子运动方向相反时,凝聚体的运动相对地减小了孤子的震荡幅度,孤子能量出现增益-损失循环.一般来说,如果势阱扰动频率等于天然粒子的振荡频率,很可能引发共鸣.虽然很多研究显示孤子具有粒子状特性,但是,孤子毕竟不是正常的粒子,因此即便势阱振荡与孤子震荡能很好的匹配,也无法造成孤子的共振行为.图6暗孤子在不同频率简谐势阱中位置与能量演化0.90.80.70204060t /ω-1(b )对应的孤子能量的进化E s /μ(d )图(a )和(b )凝聚体的密度(左轴),以及其与托马斯-费米值的密度偏离(n -n TF )1.00.750.500.250.000.5 1.0Z /R TFn /n 00.040.020.00-0.02n -n T F /n 00.500.250.00-0.25-0.50z s /R T F(a )暗孤子位置与托马斯-费米半径R TF 的比值.其中势阱强度ωz =ω0=2姨×10-2(μ/攸)(实线),2ω0(虚线),4ω0(点线)和6ω0(点虚线)204060t /ω-1刘超飞,等:玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究第37卷第5期(c )孤子振荡频率ωs 与势阱频率ωz 的函数关系,其中.虚线为分析值ωs =ωz /2姨0.800.750.700.10.2ωs /ωzωz /(c ·ξ-1)v /c =0.25v /c =0.50v /c =0.751075暗孤子动力学研究展望实验中,暗孤子的确能展示良好的粒子状特性.例如,暗孤子在简谐势阱中,通常会来回振荡[11,15].如果一个静态的暗孤子最初位置不在势阱中心,它将受到势阱的外力作用,使之加速向势阱中心运动.最近,Parker 和他的同事考虑了对简谐势阱做一些修正,充分展示了可能出现的暗孤子行为[18,19,30].将一个紧束缚的势阱嵌入一个弱束缚的简谐势阱中,这样就可控制声波的逃逸[18].将光晶格势阱加入简谐势阱中,就可用于干扰暗孤子[30].此外,还可以考虑了参数驱动以及阻尼机制[19].而参考文献[31]中,有限温度效应对暗孤子的影响受到了系统性的探讨.类似的,Bilas 和Pavloff 研究了准一维玻色爱因斯坦凝聚体中,随机势对运动暗孤子的影响[32],还研究了暗孤子在传播途中遇到障碍的情况[33].除了上述单成分凝聚体中暗孤子的工作,随着对BECs 中孤子的深入研究,人们在多元凝聚体混合物中还发现了矢量孤子、如亮-暗矢量孤子[34-37]、亮-亮矢量孤子、暗-暗矢量孤子[38-40].和单分量凝聚体相比,玻色爱因斯坦凝聚体的二元混合物已经被显示具有迷人的宏观量子现象,如复杂的空间结构[41-43]、亚稳态[44-46]、对称破缺不稳定性[47-49].迄今为止,我们已经知道种间相互作用系数对凝聚体混合物的基态结构起决定作用.当不等式g 12≤g 1g 2姨满足时,两种凝聚体是易融合的;当g 12>g 1g 2姨时,由于很强的种间排斥相互作用,凝聚体为不可融合的.就考察孤子来说,多个分量这个自由度的引入给系统带来了丰富的非线性现象,比如:孤子链、孤子对、多模激发等.除此之外,一种新型的孤子,即共生孤子,在两分量87Rb 和85Rb 的凝聚体中被发现.此时,只要分量间原子吸引力足够强,便能够克服各自分量原子内的排斥力而起到一个有效吸引的作用,从而在两分量玻色―爱因斯坦凝聚中形成亮孤子.其实,早在1993年,Kivshar 等[50]通过求图8扰动中的暗孤子震荡(b )图(a )的放大图.长度单位为ξ=攸/m μ姨(a )在各种扰动幅度下,孤子轨迹随时间的变化403020100-10-20-30-40200040006000X /qt /(ξ·c -1)403020100-10-20-30-40300600900h =3ξh =2ξh =1ξh =0h =-1ξh =-2ξh =-3ξt /(ξ·c -1)X /q1.281.241.201.151.121.083000600090001200015000t /(ξ·c -1)(a )在各种扰动幅度下,孤子能量随时间的变化.孤子初始速度为0.3c 和初始位置为x =0E /μ 1.281.241.201.151.121.0850010001500t /(ξ·c -1)(b )图(a )的放大图.体系参数为ω=2姨/100(c /ξ),ωd =ω/2姨h =3ξh =2ξh =1ξh =0h =-1ξh =-2ξh =-3ξ图7孤子能量受扰动幅度的影响E /μ江西理工大学学报2016年10月108解两个耦合非线性薛定谔方程,显示了矢量暗孤子存在的可能性.近来,在耦合的一维非线性薛定谔方程的框架内,双组分凝聚体的矢量暗孤子得到了相应的研究[51].然而,这些研究基于稳定的媒质.无论是凝聚体的种类,还是凝聚体两成分的比率,都是固定的.最近,Rabi 耦合[52]被用于将凝聚体从某一成分向其他成分的凝聚体转化.这就暗示着暗孤子在动态凝聚体媒质中运行是可能的.对于理想情况,即凝聚体种间相互作用与种内相互作用强度相同时,我们可以看到由一种成分构成的暗孤子可以转化为另一成分的暗孤子[53](如图9所示).并且,暗孤子转变为动态的矢量暗孤子后,其运动轨迹不受Rabi 耦合强度的影响.而种间相互作用与种内相互作用强度不相同时,矢量暗孤子的运动轨迹受到Rabi 耦合的影响比较明显.但是,这一长时间模拟所说明的最主要的结论为:暗孤子可以在具有Rabi 耦合的凝聚体中存在.这一结果在特定凝聚体比率的矢量暗孤子的设计上,具有非常重要的意义.将来,还可以通过控制Rabi 耦合,如在特定时间终结Rabi 耦合,从而得到特定比率的凝聚体混合物,以及矢量暗孤子.当然,矢量暗孤子稳定存在的内在机制等还有待进一步的探索.相信该研究成果将给实验上认识凝聚体中暗孤子等激发行为提供理论支持.6结论文章根据详细的能量计算分析,对玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学行为的数值研究进行了系统的介绍.从分析暗孤子的数值解、暗孤子的能量计算开始,重点探讨了暗孤子在简谐势阱中的动力学行为,以及简谐势阱出现扰动时的情况.玻色爱因斯坦凝聚体中的暗孤子具有类似粒子的运动行为,在非均匀密度的凝聚体中,暗孤子发生声波图9玻色爱因斯坦凝聚体二元混合物中的矢量暗孤子的震荡行为.Rabi 耦合强度为0.025,g 1=g 2=g 12=1(a )凝聚体成分1的演化和暗孤子震荡行为100500-50-1006001200180024003000t /(ξ·c -1)X0.13750.27500.41250.55000.58750.82500.96251.100ψ12(b )凝聚体成分2的演化与暗孤子的震荡行为6001200180024003000X0.13750.27500.41250.55000.58750.82500.96251.100ψ22100500-50-100(c )两凝聚体的密度和6001200180024003000X0.13750.27500.41250.55000.58750.82500.96251.100ψ12+ψ22100500-50-100t /(ξ·c -1)t /(ξ·c -1)刘超飞,等:玻色爱因斯坦凝聚体中暗孤子动力学研究第37卷第5期109。
gross-pitaevskii方程
gross-pitaevskii方程
Gross-Pitaevskii方程式是描述玻色气体行为的方程,它是一个非
线性的薛定谔方程,用于描述超冷玻色气体的相干结构。
该方程的形式为:$$i\hbar \frac{\partial \psi(\mathbf{r},t)}{\partial t} = -
\frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r},t) +
V(\mathbf{r})\psi(\mathbf{r},t) + g
|\psi(\mathbf{r},t)|^2\psi(\mathbf{r},t)$$。
其中,$\psi(\mathbf{r},t)$是波函数,$V(\mathbf{r})$是外部势场,$g$是相互作用强度,$|\psi(\mathbf{r},t)|^2$代表玻色气体中粒
子的密度。
这个方程式是基于绝对零度下的玻色气体,现在广泛应用于描
述超冷原子气体(Bose-Einstein condensate,BEC)中的行为。
Gross-Pitaevskii方程式被广泛的应用于玻色气体中的相干结构、
布拉格散射、研究高次谐波生成以及BEC中的soliton。
玻色-爱因斯坦凝聚的有关研究
玻色-爱因斯坦凝聚的相关研究The related research on Bose-Einsteincondensation化学与分子工程学院98级应用化学系刘睿摘要本文对玻色-爱因斯坦凝聚中的唯里关系及分子凝聚进行了研究。
在综述里本文先阐明玻色-爱因斯坦凝聚的基本概念,介绍相关的实验进展。
在第二章里我们对二维空间涡流状态束缚的零温玻色-爱因斯坦凝聚的Gross Pitaevskii方程用唯里能量关系进行详细的分析并对其数值解进行讨论。
第三章对分子态的玻色-爱因斯坦凝聚的形成及性质开展了探讨。
AbstractThe purpose of this dissertation is to deeply understand the virial-relationship in Bose-Einstein condensation and the molecularBose-Einstein condensate. A comprehensive review of the basic concepts of Bose-Einstein condensation, including its theory, experiments and technical skills is presented. We test the result of the Gross Pitaevskii equation of the trapped zero temperature Bose Einstein condensed atomic gases with Virial theorem in the two dimensional space of the vortex state. The numerical solution of virial relationship of the system is analyzed in detail. We also discuss the formation and properties of MBEC (molecular Bose-Einstein condensation).一、 BEC 理论和实验概述(一)、玻色-爱因斯坦凝聚的基本理论形成BEC 的条件是(1)其中T Mk h B πλ2/=是热波长(chermal wavelength ), 它和粒子的德布罗意波长同数量级,V 是粒子所占体积,N 是粒子数。
【国家自然科学基金】_爱因斯坦方程_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
2009年 序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 schroginger方程 27 g-p方程 28 friedmann方程
科研热词 玻色-爱因斯坦凝聚 阻尼 调和势 爱因斯坦场方程 gross-pitaevskii方程 非谐势阱 虫洞 荷电标量场 芬斯勒几何 界面扩散 电磁相互作用 玻色-爱因斯坦凝聚体 爱因斯坦方程 润湿 欧氏作用量 旋量场 操控 引力理论 干涉 宇宙常数λ 宇宙学 宇宙加速膨胀 啁啾孤子 分子动力学
推荐指数 4 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
科研热词 辛算法 质空积守恒 质空积 能量守恒 真空能 相对论 相位差 电子密度 微等离子体射流 宇宙学 发射光谱 stark展宽 oda方法 gmss-pitaevskii方程
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
科研热词 推荐指数 爱因斯坦凝聚 3 孤子 3 操控 2 gross-pitaevskii方程 2 非线性薛定谔方程 1 非线性微分方程 1 陷阱 1 近似解析解 1 谐波 1 精确表达式 1 稳定性 1 矢量孤子 1 玻色.爱因斯坦凝聚 1 玻色-爱因斯坦凝聚 1 玻色 1 物质波 1 爱因斯坦方程 1 涡线 1 流体动力学方程 1 拓扑结构 1 拓扑理论 1 应用 1 埃尔米特 1 向量丛 1 同伦分析 1 动态稳定 1 动态演化 1 动态方程 1 光晶格 1 两组分玻色爱因斯坦凝聚体 1 stein方程 1 solitons 1 hermitian流形 1 hermitian-einstein equation, almost-hermitian 1 man gross—pitaevskii方程 1 gross-pitaevskii equation, homotopy 1 analysis meth gross-pitaevskii equation, bose-einstein 1 condensa gross-pitaevskii equation 1 dirichlet问题 1 controlled manipulation 1 brouwer度 1 bose-einstein condensates, gross-pitaevskii 1 equat bose-einstein condensates 1
格子玻尔兹曼方程
格子玻尔兹曼方程
格子玻尔兹曼方程(Gross-Pitaevskiiequation)是一个非常重要的方程,用来模拟应用于一些物理系统的量子液体。
它是由俄罗斯物理学家 Lev Pitaevskii Eugene Gross在1960年发表的,它描述了一种狭义相对论量子液体中的玻尔兹曼统计,他们认为这是一种量子原子气体,模拟粒子行为以及其它物理系统。
格子玻尔兹曼方程是一个非线性的偏微分方程,用来描述密度与势能之间的相互作用。
它是由玻尔兹曼热力学提出的,其中包含了玻尔兹曼分布。
方程的解决由各种方法,例如变分方法,自由能量最小值方法,时间步伐算法和穆斯堡非线性方程求解等方法解决。
格子玻尔兹曼方程可以用来研究一些重要的物理系统,例如非绝热的Bose-Einstein凝视,多种复杂的量子现象,如量子相变,量子磁性,量子液体中的自旋系统,量子输运,量子光学,以及量子液体加速器等。
在近年来,格子玻尔兹曼方程被用来研究从激光到超流体应用的广泛主题,例如激光精密控制,超流体控制,量子信息等。
此外,格子玻尔兹曼方程还是量子计算的重要基础。
在量子计算中,这个方程可以用来预测量子态,进而构建复杂的量子算法,进一步实现量子晶体结构,其中运算速度可以实现有史以来最快的计算速度。
最后,格子玻尔兹曼方程也被用来研究一些现实中的优化问题,如寻找最佳物理位置,最大化扩散系数等问题。
它也可以用来理解电子空间结构,计算结构相互作用,甚至可以用来模拟光子和电子态的
系统。
总的来说,格子玻尔兹曼方程是一个非常重要的方程,它可以用来研究和理解物理和量子系统的背后来决定的规律,也可以被用于量子计算和优化问题的解决方案。
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)简介
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC )玻色-爱因斯坦凝聚现象最早由爱因斯坦预言。
因为玻色子遵循的统计规律,玻色气体中的原子在温度趋近绝对零度时将全部凝聚到能量的基态上。
理想情况下的BEC 完全由玻色气体原子的统计性质造成,而与原子间的相互作用无关。
实验上实现BEC ,需要对玻色气体进行束缚、稀释和冷却,其中的冷却过程在技术上难度最大,也是BEC 实验的关键。
1995年在铷原子气中实现了第一个BEC 系统。
2000年在实验上发现了BEC 中的超流现象,这是继液氦系统之后的第二种超流系统。
与液氦系统相比,BEC 系统具有极弱的相互作用,因而在理论上更容易分析。
同时,BEC 系统的各种物理参数如密度、动能等都在实验上可调。
另外,利用具有自旋的BEC 系统可以进行与自旋有关的超流现象研究,如存在自旋-轨道耦合的BEC 超流及不伴随净质量流的自旋超流等。
相关的理论和实验工作仍在不断取得进展。
本文先通过讨论理想玻色气体在低温下的性质阐明BEC 的量子统计来源,再介绍实验上实现BEC 的束缚、冷却和观测技术,然后介绍与BEC 超流有关的理论和实验方法,最后会简单提及与自旋有关的BEC 超流现象。
1.BEC 的起源:玻色子的统计性质根据量子力学,玻色子在一个量子态上的数目不受任何限制。
以此为基础利用统计系综的方法可以得到理想玻色气体在均匀势场中的粒子数按能级的分布: 111-=-βεεe z a (1) 据此可计算粒子数密度: z z V e z d m h n -+-=⎰∞-111)2(2012/12/33βεεεπ (2) 其中2/32)2(1h mkT n e z πα==-。
右边第二项为基态的粒子数密度。
当温度较高时,1<<z ,(2)式中右边第二项可以忽略,即所有原子都处在0>ε的激发态上。
随着温度降低,使z 接近1时,该项不可忽略,意味着有宏观数目的原子凝聚到基态上。
这便是玻色-爱因斯坦凝聚(BEC )。
格子玻尔兹曼方程
格子玻尔兹曼方程格子玻尔兹曼方程(GrossPitaevskiiequation)是一种研究宏观物理系统的重要方程,子弹质量等,它是统计物理中非常重要的一个概念,它描述了由多个量子的分子的动力学行为,被广泛用于量子光学、费米能级、超流体等,对量子物理学的理解产生了重大影响。
格子玻尔兹曼方程由俄罗斯理论物理学家维克多格子玻尔兹曼发现于1958年,它是一个多头多自由度的非线性泛函,被称为内部统计力学之父格子玻尔兹曼方程。
他把这个方程用到一维晶体中去,以解决费米能级这个问题。
这个方程采用格子对称性,是基于原子能级模型的理论方法,它描述了原子或分子能级之间发生变化的数值,同时它还分析了原子或分子间的相互作用以及能量变化,并且可以用来计算不同温度下的相变,热力学性质等。
格子玻尔兹曼方程的另一个优势就是可以把量子力学解释的粒子的性质也可以用格子玻尔兹曼方程来描述,因此它更容易理解,也更容易运用于实验。
格子玻尔兹曼方程已经在多个领域有了广泛的应用。
在量子光学领域,格子玻尔兹曼方程可以描述光子和原子之间的相互作用,它的应用还可以用来测量量子系统的基本参数,如量子位相,以及量子光学相关性,它还可以帮助我们研究量子光学中的一些新效应,如量子纠缠。
在超流体领域,格子玻尔兹曼方程用来计算费米子系统的特性,研究费米子在力学和热力学上的行为,以及费米子的各种独特性质,比如低温下费米子液体、超流体和超导体的凝胶状态。
此外,格子玻尔兹曼方程还被广泛应用于其他学科,如物理和化学,它可以用来计算原子或分子间的相互作用和能量变化,还可以用来计算放射性同位素的衰变率等,这些都是格子玻尔兹曼方程非常有用的功能。
总之,格子玻尔兹曼方程是一种重要的方程,它对量子物理学、计算物理学、物理学和化学等科学领域产生了无可替代的作用,格子玻尔兹曼方程的发现为量子力学提供了一种重要的理论基础,它使得量子物理学更容易理解,为研究量子系统和量子位相提供了可靠的工具,同时也是目前量子光学、超流体和其他科学研究的重要指标。
【浙江省自然科学基金】_相互作用_期刊发文热词逐年推荐_20140811
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BEC与非线性薛定谔方程辛算法解的发展概要
BEC与非线性薛定谔方程辛算法解的发展概要【摘要】本文回顾了玻色爱因斯坦凝聚(BEC)的在近一百年的发展历程内,从实验、理论两个角度分析BEC的进展。
指出辛算法是解决BEC问题的高效算法。
【关键词】非线性薛定谔方程;玻色爱因斯坦凝聚;辛算法1924年,玻色提出黑体辐射是光子理想气体的观点,他研究了“光子在各能级上的分布”问题,以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。
他将这一结果寄给爱因斯坦。
爱因斯坦意识到玻色工作的重要性,立即着手这一问题的研究。
在1924年和1925年,爱因斯坦发表两篇文章,将玻色对光子的统计方法推广到某类原子,并预言当这类原子的温度足够低时,所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。
后来,人们将这种统计方法称之为“玻色-爱因斯坦统计”或“量子统计”,将这一理论称之为“玻色-爱因斯坦凝聚”。
但在很长一段时间里,没有任何物理系统被认为与玻色-爱因斯坦凝聚现象有关。
1938年,伦敦一些科学家提出低温下液氦的超流现象可能是氦原子玻色凝聚的体现,玻色-爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。
然而,实现玻色-爱因斯坦凝聚态的条件极为苛刻和矛盾:一方面需要达到极低的温度,另一方面还需要原子体系处于气态。
极低温下的物质如何能保持气态呢?这实在令无数科学家头疼不已。
后来物理学家使用稀薄的金属原子气体,金属原子气体有一个很好的特性:不会因制冷出现液态,更不会高度聚集形成常规的固体。
实验对象找到了,下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。
由于激光冷却技术的发展,人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。
并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。
这样的实验系统经过不断改进,终于在玻色-爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月,美国科学家埃里克·康奈尔和卡尔·维曼领导的研究组在铷(87Rb)原子蒸气中第一次直接观测到玻色-爱因斯坦凝聚。
BEC相变
圖四、考慮碰撞效應的鈉原子凝聚比與溫度的關係。實線為 N=107,虛線為 N=106,點線 N=105,點虛線為熱力學極限 的理想氣體[10]。
1/ η
1 N T = k Aζ (η )
0 c
息相關。在 η > 2 的系統,我們可得到新的修正項 . (6)
當溫度低於臨界溫度時,(4)式為處於激發態的粒子 數,定為 Ne,凝聚態的粒子數比率則為
N = A(kT )η gη ( z ') + E0 A(kT )η −1 gη −1 ( z ') ,
結果顯示有限尺度效應會讓臨界溫度降低( 更不容易 凝聚) 。當粒子數增加時,因 Tc 增加,(9)式右邊的 修正項比率也會跟著減少。 由圖二與圖一的比較,可看出理論與實驗已經符 合的很好了。
nT (r ) =
圖二、凝聚比與溫度的關係。虛線為熱力學極限的結果,實 線為 N=1000 的有限尺度效應的結果 , 圓點則為進一步精確 的量子計算結果[3]。
E0 gη −1 (1) Tc =1− , 0 η kTc0 gη (1) Tc
o
(9)
階的能量增加,這增加的大小與氣體密度及動能有 關。一般最常見的是自由氣體的結果:激發態因為動 能較大,不管是與激發態的其他粒子,或是與凝聚態 的粒子,碰撞的機會都較凝聚態與其他粒子的碰撞來 的大,因此激發態的能階增高的比凝聚態的多。也就 是兩態間的能隙增加,凝聚變的容易,相變溫度增高 [4]。這符合我們熟知的超導超流相變溫度高於玻色愛因斯坦凝聚的相變溫度。 1996 年,比塔烏斯基提出在簡諧位能井中的相互 作用效應修正[10]。從密度上來看,在臨界溫度附近, 凝聚態剛要形成,密度很小可暫時把它的效應忽略。 從形狀分佈來看,凝聚態位於位能的中心點為高斯分 佈,而激發態也是中心密度較高,而向四周漸漸減少 的分佈,利用局域密度近似法可得激發態的密度分佈 函數[11]
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5. Gross-Pitaevskii theoryOutlineN noninteracting bosonsN interacting bosons, many-body HamiltonienMean-field approximation, order parameterGross-Pitaevskii equationCollapse for attractive interactionThomas-Fermi approximation for repulsive interaction Collective excitations of the condensateSmall amplitude oscillations, Bogoliubov dispersion relation Hydrodynamic equations, equation of continuity, Euler equation Large amplitude oscillations, scaling equationsVorticesN noninteracting bosonsTrapping potentialThe many-body Hamiltonian is a sum of single-particleHamiltonians whose eigenvalues have the formThe ground state of N noninteracting bosons is given byputting all particles into the lowest single-particle state:withDensity distribution:Cloud size is independent of N and isfixed by the harmonic oscillator length:height of thecentral peak:5 ×box sizeDensity distribution of 8000023Na atoms in a trapnoninteractinginteracting (geometric average)N interacting bosonsThe time evolution of the field operator of N interacting bosonsis given in the Heisenberg representation by Field operator:single particle wave function annihilation / creation operators:Many-body Hamiltonian describing N interacting bosons confined by an external potential is given in second quantization bySolving the equation for more than 104particles involves heavy numerical work.Instead, we develop a mean-field theory that allows one also to understand the behavior of the interacting bose gas in terms of a set of parameters having a clear physical meaning.Gross-Pitaevskii theoryThe time evolution of the field operator of N interacting bosons is given in the Heisenberg representation byField operator:In a BEC macroscopic occupation of the ground state:single particle wave functionsmall perturbation annihilation / creation operators:ground state wave function thus(Bogoliubov 1947)Approximation of the field operator at very low T:Gross-Pitaevskii equationThis replacement is analogous to the transition from quantum electrodynamics to the classical description of electromagnetism in the case of a large number of photons.Due to the large particle number the non-commutivity of the field operators is not important and the field can be described by classical functions.In general:with andclassical field, order parameter, wavefunction of the condensateGross-Pitaevskii equation (1961)Replacement of the potential in the Heisenberg equation shall reproduce the same low energy scattering properties given by the bare potential V.This is given by the pseudo-potential: withGross-Pitaevskii theoryThe GP theory is a microscopic theory that describes the interacting nonuniform bose gas at zero temperature.•GP describes BECs in traps that are nonuniform.•GP exhibits new features in the dynamics as compared to the uniform case.The GP theory is today the main tool for investigating trapped BECs. The GP equation has the form of a mean-field equation where the order parameter (condensate wavefunction) has to be calculated in a self-consistent way.The GP theory describes typical properties of interacting condensates like propagation of excitations, interference, etc.Four wave mixingWave mixing with sum and difference frequency generation is known from nonlinear optics with intense laser fields.The nonlinear interaction of the electricfield with the mediums then described by:Similar nonlinear interaction is found in theGP-equation:Difference: particle conservation in BEC!Four wave mixing in BEC:Three incoming orthogonalmatterwaves with momentumof equal amplitude andorthogonal direction generatea fourth wave.Four wave mixingAnother interpretation: Bragg scattering of a matter wave on a metterwave grating.Density modulated grating at 45°represents a potential grating for the incoming wave due to the density dependent interaction potential.The density modulation reflect the incoming wave with the same momentum by 90°. Of course, the role of the two counter propagating initial waves can be interchanged.Matter wave amplificationAnother interpretation: single atom s-wave scattering with Bose-enhancement (stimulated emission).s-wave scattering is isotropic. It involves two particles moving in opposite direction, as imposed by momentum conservation. The scattering creates entangled particles!Adding a third matter wave with many bosons occupying one mode induce scattering into this mode. This necessarily leads to the occupation of the opposite momentum as well.The continuity equation is received by multiplying the GP equation by and subtracting the complex conjugate of the resulting expression.The condensate is a liquid with a velocity potentialSeparating the time evolution, we get the stationary GP equationCollapse for attractive forces (a<0)For attractive interaction the kinetic energy can not be neglected. It is stabilizing the condensate against collapses.As long as interaction energy < kinetic energy the condensate is stable.Ekin:Eint:E kin +Eint:Critical atom number in a harmonic trapFor N>NC collaps!withkinetic energy ~1/r2interaction energy ~1/r3density n(r)single particle potential in the condensateBallistic expansion of a condensateThe phase of the condensate takes a parabolic profile and its evolution is given also by the scaling parameter (see Castin and DumPRL 77, 5316 (1996) ).scaling parametersdescribing the radial and axial size of the condensate at any time in units of the Thomas-Fermi radiusωwithck=≈=particle likeexcitation soundwavesBogoliubov dispersion relationsIt is possible to excite sound waves and shape oscillations in the condensate at T=0. The dispersion relation ω(k ) can be derived from the GP equation by the following ansatz:(Pitaevskii 1961)u(r)and q*(r)describe small amplitude, harmonic perturbations on the condensate ground state. After substitution into the GP equation, we get two coupled differential equations for u(r)andq(r). Taking just the linear terms into account, and withthe dispersion relation reads: (Bogoliubov 1947; second quatization, and diagonalization of the Hamiltonian)ng =μck ==≈ωwithparticle likeexcitationsound wavesSpeed of soundA sound wave is generated by focusing a laser pulse into the center of the condensate.A wave excitation formed in this way propagates and its position inside the condensate is detected at different times.Eigenfrequencies of collective excitations for Na/aho >>1,small amplitude oscillationsFor a trap with cylindrical symmetry (explicit results are known for some particular cases):The modes (nr,l,m) = (0,2,0) and (1,0,0) are coupled in the cylindrical trap.The corresponding new eigenfreuencies are:The lowest lying eigenmodes:These are observed in numerous experiments.Collective small amplitude excitationsLow frequency, small amplitude shapeoscillations of the condensate in a trap.For a condensate in a trap with cylindricalsymmetry, the lowest lying excitations arethe following quadrupole modes:axial shape oscillation(small radial contribution)radial shape oscillation(small axial contribution)radial shape oscillationThe center of mass oscillation of the condensatein the trap (ω=ωa, ωr)is referred as dipole oscillation.z (mm)z (mm)z (mm)Shape oscillationsH. Ott, J. Fortágh, S. Kraft, A. Günther, D. Komma, C. ZimmermannPRL 91, 040402 (2003)cigarpancake•data well described by the Gross-Pitaevskii equation •no damping•slowly increasing offset due totransition into 1D regimeaspect ratio r/z after 15 ms time of flightSpectra of shape oscillationstransition todeterministic chaos•excitation of the fundamental (i) •excitation of the 2nd harmonic (ii)•off-resonant excitation of lowest collective mode (iii)•nonlinear sum frequency mixingbetween all modescigarpancakeSolitonsWavepacket like excitations of one dimensional nonlinear systems.M. Weidemüller, C. Zimmermann (Eds.) …Interaction in ultracold gases“, Whiley-VCH 2003, Weinheimsolitondensity wave propagates with a velocity smaller than the sound velocity (density wave).Large amplitude oscillations: scaling equationsWe derive the equations for the expansion of a condensate in the Thomas-Fermi regime from a harmonic trap. The theory is given by Castin and Dum PRL 77, 5316 (1996)and describes the evolution of the condensate density and the phase.The ansatz solves the hydrodynamic equations:This results 6 coupled differential equations for ai and αI. The 7th parameter ais given by thenormalization.A practical scaling is the Thomas-Fermi radius:scaling parameterdescribing the size of thecondensate at any time in unitsof the Thomas-Fermi radiusInserting into the differential equationsresults the scaling equations:andScaling equations, expansionStarting with a condensate in a trap, all velocities are 0 αI= 0,The scaling equations say that the condensate keeps a parabolic density distribution when thetrap frequencies change. For a trap with cylindrical symmetry:the phase over the condensate is constant,b i =1 and b i /dt =0.The simplest case: sudden turn off the trapFor a cigar shaped condensate λ<<1, we got analytic solutionsThe phase of the condensate takes a parabolic distribution and its evolution is given also by the scaling parameter (see original paper).Scaling equations, expansionThe phase of the condensate takes a parabolic profile and its evolution is given also by the scaling parameter (see original paper).scaling parametersdescribing the radial and axialsize of the condensate at anytime in units of the Thomas-Fermi radiuswave packet propagating inRole of dimensionalityThe dynamics of the condensate significantly changes with the dimensionality.The dynamics in 1D, 2D, and cross-over regimes are topic of a large number of theoretical and experimental work.Cross-over from 3D to 1D:3D, quasi homogeneous, Thomas-Fermi regimeconfined regime, BEC confined to the radial trapground state, thermal cloud 3Dquasi 1D regime, two dimensional freeze out…Role of dimensionalityRegimes of Quantum Degeneracy in Trapped1D GasesD. S. Petrov, G. V. Shlyapnikov, and J. T. M. Walraven, Phys. Rev. Lett. 85, 3745 (2000)Creation of vortices in BECStirring one/two laser beams:J. Abo-Shaeer et al., Science 292, 476 (2001)The examples show approximately (A) 16, (B) 32, (C) 80,and (D) 130 vortices. The vortices have …crystallized“in a triangular pattern. The diameter of the cloud in (D) was 1 mm after ballistic expansion, which represents a magnification of 20.Quantized vortices in the Gross-Pitaevskii theory Quantized vortex along the z axisis described by the order parameter:κis integer , ϕis the angle around z,Tangential velocity of the vortex state:Angular momentum along z:The GP equation takes the form: centrifugal termFor κ≠0, Φvanishes on the z axis.Noninteracting gas:quantum of circulationEnergy of the state: + ground state energy Size of the core:With the Thomas-Fermi radius of thecondensate.Creation of vortices in BECTopological vortices: Decay of double quantized vortices:Axial absorption images of condensatesafter 15 ms of ballistic expansion with avariable hold time after imprinting a doublyquantized vortex.By inverting the z directionmagnetic field, a doublyquantized vortex is imprinted.A. E. Leanhardt et al., Phys. Rev. Lett. 89, 190403 (2002)Vortices•Atomic Bose-Einsteincondensate•BEC of molecules•Cooper pairs/ketterle_group/。