玻色-爱因斯坦凝聚体中的淬火孤子与冲击波

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极低温下原子气体形成的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)为研究各种量子物理现象提供了理想平台。在此平台上,人们已深入探究了诸如超流、涡旋、孤子等重要的平衡态和稳态现象,近年来又开始探索非平衡态问题。在经典系统中,非平衡问题例如爆炸常伴有冲击波,其表现为物质膨胀速度大于局域声速。而对于具有量子特性的BEC,如何产生和理解冲击波成为了研究热点。本文中,我们系统性地探讨了通过淬火相互作用在初态包含暗孤子的一维BEC中产生量子冲击波的可能性及其内禀机制。我们的主要成果如下:(1)在淬火至无相互作用极限下,我们解析得到了初始静止孤子的后续动力学,发现了冲击波的存在,并通过量子相干效应得以解释。(2)在淬火至有限相互作用下,我们通过数值求解Gross-Piatevskii方程也发现了冲击波现象,并且分析了不同情形:a.往弱相互作用侧淬火时得到的冲击波与无相互作用情形类似;b.往强相互作用侧淬火时得到的冲击波伴随着孤子的劈裂,且两者存在同步变化关系;c.在淬火强度比例为整数平方倍时,冲击波完全消失,孤子发生完美劈裂。我们进一步探究了冲击波的特性包括其振幅、速度,并得到了其随淬火相互作用强度变化的全景图谱。这一工作为实验上实现和观测冲击波提供了理论指导。
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