超冷简并原子气体中的非线性量子特性研究

超冷简并原子气体中的非线性量子特性研究【摘要】：非线性相互作用是超冷简并原子气体的一个重要特征。深入理解由于这种非线性相互作用导致的量子特性,不只是对完善与丰富线性量子理论有重要的意义,也对超冷简并原子气体的相干控制及其潜在的应用有现实的指导意义。本论文提出了一组用于非均匀玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einsteincondensates(BECs))描述的正交基；研究了非线性对其相干性的影响,以及利用谐振子势中多组份BECs理解和模拟一个重要的非线性问题的可能性进行了研究。具体地讲,可以概括为以下几个方面：正交完备基是描述线性量子系统的重要基础,由于非线性相互作用和外势的影响,原则上不存在一组正交完备基。在一维无限深势阱中,我们发现一组与线性薛定谔方程的完备基一一对应的的非线性基底。利用这组正交基和波戈留波夫理论,我们对一维无限深势阱中的定态解的稳定性进行了研究,结果发现：对于基态解,无论是非线性参数为正或是为负均是稳定的；但对于第一激发态解,当取负的非线性大于某一个临界值时,它是不稳定的。我们对具有非对称BECs的干涉现象进行了研究,发现由于初始波包的不对称性,所形成的干涉条纹也具有一定的不对称性。利用该干涉条纹的性质,结合BECs的特性,我们提出一种用于测量微弱类重力的量子干涉仪。如果对物质波的密度测量可以保证实现的话,则对微弱力的测量精度可以达到δg～10-6。此外,我们通过量子Loschmidtecho展示了非线性的增强效应,它对于测量微弱重力起到了积极的作用。相干性是BECs的另一个引人注意的基本性质。由于环境或是其他人为因素,对其相干性的影响是实现原子激光中不得不考虑的问题。我们利用量子Loschmidtecho对囚禁在非谐势阱中、受到到环境扰动的BECs的相干性进行研究。结果表明：其相干性的减少呈现费米型的规律,且非简谐势阱、环境扰动和非线性相互作用三个条件必不可少。其中,非简谐势阱用来产生非简谐振荡；环境扰动则造成相干性损失；同时非线性相互作用增强了这种损失。基于这个费米型的规律,当对凝聚体进行相干性操作时,我们给出了延长其相干时间的建议。最后,我们提议利用简谐阱中的多组份BECs来研究一个经典的非线性问题——Fermi-Pasta-Ulam(FPU)问题。简谐势阱中单组份BECs在不考虑外界扰动时,将做非线性的简谐振动,这已经被实验所证实。多组份凝聚体间的相互作用将不同的组份耦合在一起,实现FPU的基本模型,但是,模式之间耦合被非线性相互作用所代替。我们通过对其能量、以及所对应的Husimi分布函数的计算发现：当非线性从弱到强时,能量从一种转移过程转变为一种分享过程。在两组份时,这种能量分享几乎是均等的。推广到三组份时,在特定的条件下也可以看到类似的现象。【关键词】：玻色—爱因斯坦凝聚非线性正交基底非线性相干性动力学量子Loschmidtecho能量转移(Energysharing)Husimi分布函数【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：O431.2【目录】：中文摘要10-12ABSTRACT12-14第一章绪论14-561.1超冷简并原子气体14-241.1.1从理论到实验14-161.1.2平均场近似下BECs的理论模型16-191.1.3BECs—量子模拟器19-241.1.3.1安德森局域19-221.1.3.2超流态到Mott绝缘态22-241.2非线性导致的新奇量子效应24-301.2.1宏观量子自俘获的非线性修正24-271.2.2周期势中的非线性效应27-301.3量子LOSCHMIDTECHO30-321.4HUSIMI分布函数32-371.5FERMI-PASTA-ULAM问题37-451.5.1Fermi-Pasta-Ulam简介37-411.5.2玻色—爱因斯坦凝与Fermi-Pasta-Ulam41-45参考文献45-56第二章非均匀凝聚体的正交完备基56-742.1引言56-582.2非均匀BECs的正交基矢58-652.2.1正交基矢58-642.2.2基矢的正交完备性64-652.3非线性正交基矢的稳定性分析65-692.3.1基态的稳定性66-682.3.2激发态的稳定性68-692.4本章小结69-71参考文献71-74第三章非对称物质波的干涉现象74-883.1引言74-763.2量子LOCHMIDTECHO76-773.3非对称干涉773.4微弱力测量理论77-833.4.1原理简介77-803.4.2量子Lochmidtecho分析80-813.4.3密度分析81-823.4.4进一步分析及实验的可能性82-833.5本章小结83-84参考文献84-88第四章非线性对超冷原子气相干性的影响88-1024.1引言88-904.2非简谐势阱中的BECs90-914.3相干性的FERMIDECAYLAW91-954.3.1非简谐参数的影响91-924.3.2非线性的影响92-944.3.3环境扰动的影响94-954.4本章小结95-96参考文献96-102第五章非线性导致的能量转移102-1145.1引言102-1035.2FPU模型及结论103-1055.3多组份BECs与FPU问题105-1065.4非线性能量转移106-1095.5量子相空间HUSIMI分布109-1115.6本章小结111-112参考文献112-114第六章总结与展望114-116附录A116-118附录B118-122附录C122-124附录D124-125攻读博士学位期间已发表论文和待发表的论文125-126致谢126-128本论文购买请联系页眉网站。