中國科大等首次預(yù)言三維自由空間中存在穩(wěn)定的孤子

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在冷原子非線性效應(yīng)的研究方面取得新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室周正威等與美國萊斯大學(xué)、以色列特拉維夫大學(xué)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(yù)言了在三維自由空間中也會存在穩(wěn)定的孤子。相關(guān)研究成果12月17日發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上，該實(shí)驗(yàn)室博士生張永昌為文章的第一作者。

　　非線性效應(yīng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是非線性物理領(lǐng)域一類非常重要的問題。在一維冷原子系統(tǒng)中，原子間存在吸引相互作用時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)定的孤子。但隨著空間維度的升高，非線性效應(yīng)的增強(qiáng)，理論預(yù)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(tǒng)的崩塌（波函數(shù)只有一個(gè)奇點(diǎn)）。所以，在以前的研究工作中，為了實(shí)現(xiàn)三維空間中的穩(wěn)定孤子，往往需要借助外加束縛勢場（諧振子勢，光晶格勢等）。通常認(rèn)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(wěn)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(chǎn)生三維自由空間穩(wěn)定孤子的可能性。他們通過維度分析方法估計(jì)出：雖然自旋軌道耦合作用的引入不能改變系統(tǒng)基態(tài)崩塌的結(jié)果，但自旋軌道耦合作用可以改變系統(tǒng)的能譜，從而產(chǎn)生了一個(gè)局域的能量極小值點(diǎn)，使系統(tǒng)存在一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，在該亞穩(wěn)態(tài)與崩塌之間存在一個(gè)勢壘可保證亞穩(wěn)態(tài)孤子的穩(wěn)定性。

　　他們通過數(shù)值模擬驗(yàn)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(shí)可以使具有吸引相互作用的玻色-愛因斯坦凝聚體處于穩(wěn)定的孤子狀態(tài)。此外，他們還研究了自旋軌道耦合作用的強(qiáng)度和雙分量交叉相互作用對孤子穩(wěn)定性的影響，以及孤子的動力學(xué)性質(zhì)。這項(xiàng)研究成果在高維穩(wěn)定孤子的研究領(lǐng)域指出了一種新的方向，也為實(shí)驗(yàn)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。

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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(qiáng)交叉相互作用情況。