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全光阱约束下的碱金属原子具有自旋为1的内部自由度,它们的玻色一爱因斯坦凝聚因此呈现丰富的物理现象。大部分旋量玻色爱因斯坦理论仅仅考虑了凝聚体总自旋在某个方向分量的守恒。实际上旋量凝聚所涉及的两体散射相互作用形式不仅保证了总自旋在某个方向分量的守恒,而且保证了总自旋守恒。利用母配分系数法可以研究总自旋守恒带来的物理效应,结果表明总自旋守恒会给系统带来额外的对称性限制,导致旋量凝聚的基态和低能激发态具有能带结构,使空间密度分布依赖于总自旋。
本文首先综述了玻色爱因斯坦凝聚和旋量玻色爱因斯坦凝聚的基本理论以及研究现状.然后讨论了总自旋守恒的<87>Rb原子旋量凝聚的单粒子第一激发带,利用母配分系数法导出了第一激发带所满足的耦合非线性薛定谔方程,并对其进行了数值求解.通过精确调整数值解的试探参数,在10<-10>的精度下得到了<87>Rb原子旋量凝聚单粒子第一激发带的能态结构和空间密度分布与体系总自旋的关系。结果表明<87>Rb原子的第一激发带和基带交叉;发现<87>Rb原子相对于<23>Na原子其总自旋效应更为明显,空间波函数对于总自旋的依赖更为敏感。我们分析了<87>Rb原子单粒子第一激发带在大Ⅳ情况下的近似解析解。利用Thomas-Fermi近似和微扰的办法,我们得到了第一激发带各能级波函数和能带的近似解。结果表明在大Ⅳ情况下,第一激发带空间波函数的总自旋效应更为明显,总自旋大的态空间波函数趋向于在凝聚体中间分布,总自旋小的态倾向于表面分布。结果还表明在大N情况下,第一激发带的底端会穿越基带的底端,使得凝聚体的能量最低状态为总角动量不为0的单粒子激发态。
接着,本文研究了非球对称光阱中自旋为1原子旋量凝聚的能级结构和空间密度分布,导出了雪茄形光阱中准一维凝聚的基态和第一激发态所满足的普适非线性薛定谔方程。对<23>Na和<87>Rb两种具体原子体系用虚时间法进行了数值求解,在10<-10>精度下得到了雪茄形光阱中两种原子旋量凝聚的基态和单粒子第一激发态的能带结构和相关的空间密度分布。结果表明光阱的形变能影响旋量凝聚的能带结构,大的形变能增强凝聚体的总自旋效应,导致基带和第一激发带的能带展宽,空间波函数对总自旋依赖效应的增强以及发生基带和第一激发带能带交叉所需原子数的减少。结果还显示,与球对称光阱不同,在非球对称光阱下光阱形变程度对<23>Na的影响比对<87>Rb更为显著,使得前者表现出更明显的总自旋效应。在大N极限下,我们给出了总自旋S较小时适用的解析近似解,对单粒子激发态的解析近似解的分析表明, <23>Na原子和<87>Rb原子的单粒子激发态在大N情况下有不同的分布趋势,这种分布差异导致光阱形变对<87>Rb原子激发带具有更大的影响。