自旋轨道耦合玻色凝聚体的拓扑量子态和量子动力学性质

Spin-orbit coupling(SOC) plays a crucial role for many condensed matter phenomena.The cold atomic gases with SOC realized experimentally in recent years have provided a new and ideal platform for studying SOC physics of quantum many-body systems.In this project, we investigate the formation and structure of topological defects in rotating SOC Bose-Einstein condensates (BECs),quantum turbulence and spin turbulence in SOC BECs, and quantum dynamics of periodically kicked SOC BECs (including dynamical localization,quantum resonance, quantum beating and quantum chaos). We explore the relation between the factors of SOC,rotation and dissipation and the properties of topological defects,spin structure and dynamics in SOC BECs. In addition, the new phenomena and effects in the quantum turbulence and spin turbulence in SOC compressible superfluids will be revealed. Moreover, we elucidate the formation conditions and characteristics of dynamic localization and quantum resonance in kiced SOC BECs. These studies aim to provide theoretical basis and reference for the furture possible experiments, and facilitate new understanding of the properties of ultra-cold atomic gases subject to non-Abelian gauge potentials.

自旋轨道耦合对于许多凝聚态物理现象而言是至关重要的。近年来冷原子气体中自旋轨道耦合的实验实现为研究自旋轨道耦合的量子多体物理提供了一个崭新和理想的平台。本项目拟研究旋转的自旋轨道耦合玻色－爱因斯坦凝聚体（BECs）中拓扑缺陷的形成与结构、自旋轨道耦合BECs中的量子湍流与自旋湍流、周期性受激驱动的自旋轨道耦合BECs的量子动力学（包括动力学局域化、量子共振等现象）。探讨自旋轨道耦合、旋转和耗散等因素与凝聚体中的拓扑缺陷、自旋结构和动力学之间的规律性关系，揭示含有自旋轨道耦合的可压缩超流体中的量子湍流与自旋湍流中的新现象和新效应，阐明受激的自旋轨道耦合BECs中的动力学局域化、量子共振、量子拍频和量子混沌等现象的形成条件与特征，为相关实验提供理论依据和参考，促进人们对非阿贝尔规范势下超冷原子气体物理特性的新的认识。

自旋轨道耦合(SOC)和规范场对于许多凝聚态物理现象而言是至关重要的。近年来冷原子气体中自旋轨道耦合和规范场(包括阿贝尔规范场和非阿贝尔规范场)的实验实现，为研究超冷原子分子体系、凝聚态系统、量子与原子光学体系的量子多体物理提供了一个崭新的平台。本项目主要研究了旋转的自旋轨道耦合玻色－爱因斯坦凝聚体（BECs）的基态结构、拓扑缺陷、自旋纹理和动力学，旋转的超流玻色－费米混合气体的拓扑结构与动力学，周期性受激驱动的自旋轨道耦合BECs的量子动力学，以及阿贝尔规范双阱势中BECs的定态和淬火动力学等。揭示了这些体系中的规律性关系与物理机制。. 首先，我们的研究发现，对于环形阱中的Rashaba自旋轨道耦合BECs，若无旋转且体系初始处于相分离，强二维SOC将导致特殊的螺旋条纹相产生。对于大旋转频率和强SOC情形，系统将形成复杂的基态结构和拓扑缺陷，例如显涡旋环、巨涡旋和隐涡旋环共存的组合拓扑结构。同时,该系统支持奇特的自旋畴壁和自旋纹理。其次，对于旋转的非谐势阱中含有Dresselhaus SOC(D-SOC)的BECs，研究表明，系统支持Anderson–Toulouse无核涡旋、环形涡旋层和组合的复杂涡旋结构。特别地，系统展现出丰富的自旋纹理，包括基本的斯格明子、半斯格明子簇态、以及各种斯格明子晶格等。再者，揭示了旋转的自旋轨道耦合自旋-2BECs中不寻常的拓扑量子态和量子动力学行为。此外，我们发现,对于旋转的超流玻色－费米混合物，当旋转频率足够大时，系统支持一种混合相和三种典型的层状分离相。尤其是，在该体系的动力学演化过程中，费米超流体的显涡旋形成呈现出显著的滞后效应。另外，研究发现，受激驱动两分量自旋轨道耦合BECs存在量子高阶共振、量子反共振和量子拍频等有趣的动力学行为。最后，对于含有对隧穿的阿贝尔规范双阱势中的BECs，研究表明，强的对隧穿对定态的能谱结构和淬火动力学会产生显著的影响。本项目为将来相关的实验工作提供了理论依据和参考，促进了人们对规范势中超冷原子气体物理特性的新认识。