含自旋轨道耦合和拉比耦合的BEC中涡旋对的研究

 
拓扑激发或拓扑物体广泛存在于很多物理系统，像液晶、超流、超导以及我们的宇宙等。寻找新奇的拓扑物体对于各个领域的科学家都是非常有趣的课题。在这些系统里，超冷原子气体的玻色爱因斯坦凝聚(BEC)被认为是一种理想的测试平台。
 

NIST的Spielman实验小组通过拉曼诱导的方式首次在实验中实现了自旋1/2的一维自旋矢量与线动量耦合[1]，引起了人们的广泛兴趣。在 BEC里人造自旋轨道耦合实验的实现不仅为描述 SOC 提供了一个很好的平台，而且带来了一些之前并未在材料科学里讨论过的新奇的物理现象，为我们探索新的量子相和新奇拓扑激发提供了条件。之后人们在此实验的基础上，提出了多种多样的自旋轨道耦合模型，发现了各种新奇的基态相和拓扑自旋结构。虽然由于实验条件所限很多模型方案未实现，但依然是理论和实验工作者研究的动力源泉。关于2D Rashba型自旋轨道耦合两组分BEC的许多理论工作已经被广泛研究[2-6]，因为自旋轨道耦合和非线性项作用，体系呈现丰富的相图，也发现了skyrmion拓扑激发。
北京师范大学杨师杰课题组[7]研究了其他自旋矢量和线动量耦合形式的自旋轨道耦合（）的二维拓扑激发。他们发现体系呈现新奇的二维涡旋对激发（meron-pair），这不同于人们之前2D Rashba型自旋轨道耦合的理论工作，两个涡旋对由domain wall连接，而且显示不同的拓扑数和自旋纹理（如图）。这为人们实现该类拓扑结构提供了一个可行性实验方案。在前期的工作中，他们也发现了在该形式自旋轨道耦合下可产生稳定的新奇3D拓扑激发[8]。

References

[1]  Y. J. Lin, K. Jiménez-García, and I. B. Spielman, Spin-orbit-coupled Bose–Einstein condensates, Nature 471(7336), 83 (2011)

[2]  S. Sinha, R. Nath, and L. Santos, Trapped two-dimensional condensates with synthetic spin-orbit coupling, Phys. Rev. Lett. 107(27), 270401 (2011)

[3]  H. Hu, B. Ramachandhran, H. Pu, and X. J. Liu, Spin-orbit coupled weakly interacting Bose–Einstein condensates in harmonic traps, Phys. Rev. Lett. 108(1), 010402 (2012)

[4]  B. Ramachandhran, B. Opanchuk, X. J. Liu, H. Pu, P. D. Drummond, and H. Hu, Half-quantum vortex state in a spin-orbit-coupled Bose–Einstein condensate, Phys. Rev. A 85(2), 023606 (2012)

[5]  C. Wang, C. Gao, C. M. Jian, and H. Zhai, Spin-orbit coupled spinor Bose–Einstein condensates, Phys. Rev. Lett. 105(16), 160403 (2010)

[6]  X. Zhou, Y. Li, Z. Cai, and C. Wu, Unconventional states of bosons with the synthetic spin-orbit coupling, J. Phys. At. Mol. Opt. Phys. 46(13), 134001 (2013)

[7]  Y. K. Liu, H. X. Yue, L. L. Xu, and S. J. Yang, Vortex-pair states in spin-orbit-coupled Bose–Einstein condensates with coherent coupling, Front. Phys. 13(5), 130316 (2018)

[8]  Y. K. Liu and S. J. Yang, Three-dimensional dimeron as a stable topological object, Phys. Rev. A 91(4), 043616 (2015)

文献链接：

Yong-Kai Liu, Hong-Xia Yue, Liang-Liang Xu, and Shi-Jie Yang, Vortex-pair states in spin-orbit-coupled Bose–Einstein condensates with coherent coupling, Front. Phys. 13(5), 130316 (2018)