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伴自旋共舞轨道 辨凝聚区分超流 精选

已有 7804 次阅读 2013-2-7 11:15 |个人分类:科普|系统分类:论文交流| 超流, 凝聚, 自旋轨道耦合

刻苦专研,厚积薄发运用路径积分和格林函数等量子场论方法,深入研究冷原子气体系统的基态、激发谱和量子相变。发现自旋-轨道耦合对费米系统凝聚和超流的相反影响,引起国际同行的广泛关注。

这是中国科学院金属研究所年终总结大会上2012年度优秀青年学者奖基础研究类)的颁奖词。该奖颁给我们磁性材料与磁学研究部青年学者周可召副研究员。颁奖词是对他潜心科学研究,取得有影响力的研究成果的肯定。伴自旋共舞轨道  辨凝聚区分超流”是对这项研究成果的写照。在此,借科学网这个平台再次向他表示祝贺!

中国科学院金属研究所2012年度优秀青年学者奖基础研究类推荐理由:

近年来他一直运用场论方法(路径积分和格林函数)研究冷原子气体系统的基态、激发谱、量子相变以及凝聚和超流现象。一个重要的进展是,研究了自旋轨道耦合(SOC)对一个费米系统凝聚和超流的影响。运用路径积分方法和Hubbard-Stratonovich变换,推出了关于配对场的有效作用量,在鞍点(平均场)近似下得到了系统的基态能量并由此推出能隙和粒子数方程。根据非对角长程序的概念,发现系统的总凝聚密度应该等于单重态和三重态的总贡献,更正了 Phys. Rev. A 84 0336332011)中认为凝聚密度仅含单重态的贡献这个错误。运用phase-twist方法计算了超流密度张量,这种方法与通过线性响应理论研究系统的流关联函数来计算超流密度张量的方法是一致的。由于自旋轨道耦合的存在,系统的各向异性明显地体现在超流密度变为一个张量。分析了在这样一个不满足伽利略变换不变性的系统中朗道关于超流密度计算公式的局限性。通过求解能隙和粒子数方程,得到能隙和化学势以及凝聚密度和超流密度随系统参数的变化行为。结果表明,在零温下自旋轨道耦合增强了凝聚,但抑制了超流。由于能隙以及凝聚密度均与费米面附近粒子的配对有关,因此费米面上的态密度决定了能隙(配对场)和凝聚的大小。计算发现只当自旋轨道耦合大于某个特征值时,凝聚密度才有明显地增加,与态密度的行为一致。自旋轨道耦合对超流的抑制和三重态配对场的存在紧密相关。由于自旋三重态的行为与正常态类似(零温时,自旋磁化率不为零),因此,自旋轨道耦合抑制超流是通过自发地产生三重态配对来实现的,与杂质通过耗散的方式抑制超流截然不同。以上所述现象在三维和二维中均存在。鉴于自旋轨道耦合对凝聚和超流的这种相反作用,被推荐人预言在杂质和自旋轨道耦合的共同调制下,系统将更易于出现玻色玻璃态。被推荐人发现的这种由自旋轨道耦合引起的凝聚和超流的相反行为已经引起了国际同行的很多关注。论文发表在国际著名学术刊物Phys. Rev. Lett. 108, 025301 (2012)201110月在arXiv上贴出后至今,已有20次引用。

图1:三维费米体系的凝聚密度(上)和超流密度(下)随自旋-轨道耦合的变化以及与1/kFa的关系。

图2:二维费米体系的凝聚密度(上)和超流密度(下)随自旋-轨道耦合的变化以及与ln(EB/EF)的关系。

论文链接:

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i2/e025301

http://arxiv.org/abs/1110.3565

名词解释:

自旋轨道耦合:根据量子力学,一个粒子(如电子)因为自旋与轨道移动而产生的相互作用,称为自旋-轨道耦合自旋-轨道耦合可以使电子的能级产生位移。电子移动经过原子核的电场时,会产生电磁作用,电子的自旋与这电磁作用的耦合,形成了自旋-轨道作用。类似的例子是原子核的壳层模型能级的位移。近年来,与自旋轨道耦合相关的量子自旋霍尔效应、自旋流、几何相位等是热点问题。

超流:当液氦(4He)的温度降到2.17K 时,液氦从原来的正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的超流体液氦能沿极细的毛细管管径约0.1微米)流动而几乎不呈现任何粘滞性。当液氦由容器中通过多孔塞(或极细的毛细管)流出时,容器内的液氦的温度升高,为机械致热效应。其逆过程称为热机械效应,即:当升高容器内的温度时,其中液氦的液面将上升,若容器本身是一毛细管,则将观察到液氦从上口喷出,故也称喷泉效应。超流是一种宏观范围内的量子效应。由于玻色爱因斯坦凝聚,许多分子都转到动量为零的状态,这就使得它们在坐标空间中还是在容器中的液体,而此时液体的流动性发生了突变。

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