物理所具有强相互作用的低维量子气体理论研究取得新进展

2010-10-27 11:01 来源: 中国科学院
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  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室陈澍研究员和博士生关黎明,在费米超TG气体研究方面取得了重要进展。

  近年来,由于冷原子物理领域中实验技术的迅猛发展,在低维量子气体的实验研究方面已取得一系列重要进展。例如,2004年,美国和德国两个小组分别在实验上成功制备和观测到强相互作用极限下的准一维的量子气体(Tonks-Girardeau(TG)气体)。他们的实验验证了强排斥作用极限下玻色TG气体(硬核玻色气体)具有费米气体的某些特征,得到了同理论符合非常好的结果。最近,奥地利一个研究小组发现,从强排斥的TG气体出发,当相互作用调节到强相互吸引一端,系统仍然处于一个稳定的气体相,而不是塌缩到吸引区间的基态(玻色束缚态)【Science 325, 1224 (2009)】。这样得到的态实际上是一个稳定的量子气体激发态,具有比TG气体更强的关联能,因而被称为超TG气体(Super Tonks-Girardeau gas)。

  通常存在吸引作用时,不同自旋的费米子会配对。在强吸引极限下,配对的费米子形成束缚态。陈澍和关黎明从理论上预言:即使在强吸引作用下,一维自旋1/2的费米气体中仍存在稳定的不配对气体相。假如系统的初始状态处在强排斥一端,系统的基态是没有配对的费米气体。如果我们突然通过Feshbach共振将原子之间的相互作用调节到强相互吸引一端,他们的理论计算表明,系统将处于一个没有配对的称为费米超TG气体相的高激发态上。这样的一个反直觉的态具有比强排斥系统更强的局域关联能,可视为最近实验上观测到的超TG气体的费米对应。

  在前期相关的工作中,陈澍、关黎明、尹相国和合作者率先指出,应该从动力学的角度理解实验上观测到的超TG气体,实验上在强吸引区观察到的稳定的气体相实际上对应吸引区间的一类高激发态。利用一维玻色气体的严格解,他们解释了系统为什么会处于这样一个稳定的激发态,而不会塌缩到基态。他们计算了系统的呼吸模频率,得到了同实验惊人一致的结果(见附图)。在另一个相关的工作中,他们发现强吸引的一维自旋1/2的费米气体的基态实际上可由等效的质量为二倍的复合玻色气体的超TG气体相描述。这些复合玻色子(费米对)之间存在等效的强吸引作用,而不是等效的排斥作用。这项研究澄清了以往文献中想当然地认为复合玻色气体为TG气体的错误认识。

  上述工作结果分别发表在美国《物理评论快报》【Phys Rev Lett 105, 175301 (2010)】及《物理评论A:快讯》【Phys. Rev. A 81, 031609(R) (2010),& Phys. Rev. A 81, 031608(R) (2010)】上。这项研究得到了中国科学院、国家自然科学基金和科技部项目的支持。

  图中分离的点为实验上观测到的超TG气体在不同相互作用强度下的呼吸模频率,实线为根据严格解计算的结果,虚线为文献中蒙特卡罗模拟结果,虚点线为采用了一个对等效相互作用加入一个参数进行拟合的计算结果。理论结果同实验的结果能够很好地符合。