原子相互作用对相干性隧穿的影响

摘要

近年来，操控冷原子的输运已经成为现代物理学界备受关注的研究课题。由于量子隧穿，处在一个阱中的原子会穿过势垒而不会长期局域于阱中，可是人们发现，如果对这个双势阱系统施加一个周期驱动，量子隧穿可能会被抑制，使原子局域于一个阱中，这种现象叫做相干性隧穿破坏（CDT)。先前对相干性输运的大多数研究局限于具有两体相互作用的系统中，而三体相互作用在多原子系统中对玻色气体的输运特性也有重要的影响，在实验上利用Feshbach共振技术和光辅助隧穿操控三体相互作用。同时人工规范场的实现，使得原子的自旋轨道耦合成为可能，对于具有不同自旋的冷原子的操控就变得至为重要。本文主要研究了周期调制的双势阱中带有三体相互作用的玻色系统和带有自旋轨道耦合的玻色系统中超冷原子的隧穿特性。具体研究内容和安排结构如下：
　　首先，简单介绍了论文研究的物理背景及相关知识，包括相干性隧穿破坏、带有自旋轨道耦合的玻色系统和原子的三体相互作用及其研究意义。
　　第二章利用两模玻色哈勃模型，在周期性驱动的双势阱中，研究了带有三体相互作用的玻色气体的隧穿动力学。研究发现：两体相互作用和三体相互作用对选择性相干隧穿有强耦合作用，选择性CDT发生时周期场的强度与贝塞尔函数的零点有关，可通过周期场的强度控制从一个势阱到另一个势阱隧穿的玻色子数，此时周期场的强度对应系统能量的简并点。当考虑三体弱相互作用时，系统实现选择性CDT的总玻色子数有一个上限，同时考虑排斥（吸引）的三体弱相互作用可以扩大（减小）实现选择性CDT的总玻色子数的范围，若为三体强相互作用，系统实现选择性CDT的总玻色子数不仅有一个上限而且有一个下限。从实际模型出发得到了系统总玻色子数限制条件的解析解，与数值解相符合。
　　第三章基于平均场双势阱玻色哈勃模型，研究了玻色子的三体相互作用对相干性隧穿的影响。我们发现，当玻色子间仅有排斥的两体相互作用或仅有排斥的三体相互作用时，系统的隧穿随相互作用的增强将被抑制，而在两体和三体相互作用的耦合下，系统的隧穿既可以被增强也可以被抑制，特别地当吸引的三体相互作用是排斥的两体相互作用的二倍时，CDT仅发生在一些特殊的驱动力强度下，与线性情况类似。并且在不同的相互作用下系统经历了从相干隧穿（CT)到CDT的不同转变。在高频范围内，我们探究了系统的准能量，随着相互作用的改变，准能量简并点转变为准能量三角形结构，CDT发生的驱动力范围与准能量三角形结构的宽度相同。
　　第四章利用平均场双势阱玻色哈勃模型，在周期性驱动的双势阱中，研究了双组份自旋轨道耦合玻色气体的隧穿特性。我们发现：玻色子相互作用、自旋轨道耦合和塞曼场对系统的输运特性有耦合的影响，若玻色气体没有自旋轨道耦合，玻色子相互作用会抑制双势阱间的隧穿，而此时塞曼场对玻色子的隧穿没有影响，当玻色气体有自旋轨道耦合时，塞曼场和玻色子相互作用的耦合不仅可以增强隧穿而且可以抑制隧穿。随着系统中自旋轨道耦合强度、塞曼场强度、玻色子相互作用和周期性驱动强度的变化，玻色气体在双势阱中的输运经历了从CT到CDT的多种转变。在高频范围内，我们发现在系统的准能带中有三角形结构和环形结构出现，这与玻色子在双势阱中的CDT出现时的驱动力范围相对应，为深入认识输运中的这种抑制提供了方法，并且自旋轨道耦合引起的准能带变化修正了传统意义上的准能带，即在自旋翻转隧穿中，CDT的出现对应系统准能带中的环形结构，这些结果为我们操控双组份玻色气体在双势阱中的普通隧穿和自旋翻转隧穿提供了可能。
　　最后，简要总结本工作及展望该领域进一步研究的前景。

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

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第一章绪论

§ 1.1 相干性隧穿破坏

§ 1 .2 自旋轨道耦合的实现

§ 1 .3 有效三体相互作用

§ 1.4 本文主要研究内容与结构安排

第二章三体相互作用对选择性相干输运的影响

§ 2.1 引言

§ 2.2 两模玻色哈勃模型

§ 2.3 隧穿动力学

§ 2 .4 本章小结

第三章三体相互作用对玻色气体相干性隧穿破坏的影响

§ 3.1 引言

§ 3.2 平均场模型

§ 3 .3 数值结果

§ 3 .4 本章小结

第四章自旋玻色气体在双势阱中的相干输运

§ 4 .1 引言

§ 4.2 平均场玻色哈勃模型

§ 4.3 隧穿动力学和系统的准能量

§ 4 .4 本章小结

第五章结论与展望

参考文献

附录攻读硕士学位期间已发表和完成的主要论文

致谢