中国科大等首次预言三维自由空间中存在稳定的孤子

　　中国科学技术大学教授、中国科学院院士郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在冷原子非线性效应的研究方面取得新进展。该实验室周正威等与美国莱斯大学、以色列特拉维夫大学的合作者在具有吸引相互作用的双分量玻色爱因斯坦凝聚体中引入自旋轨道耦合，首次预言了在三维自由空间中也会存在稳定的孤子。相关研究成果12月17日发表在《物理评论快报》上，该实验室博士生张永昌为文章的第一作者。

　　非线性效应对系统稳定性的影响是非线性物理领域一类非常重要的问题。在一维冷原子系统中，原子间存在吸引相互作用时，系统有稳定的孤子。但随着空间维度的升高，非线性效应的增强，理论预言在三维或更高维情况下，原子间吸引相互作用会引起系统的崩塌（波函数只有一个奇点）。所以，在以前的研究工作中，为了实现三维空间中的稳定孤子，往往需要借助外加束缚势场（谐振子势，光晶格势等）。通常认为，在原子间吸引相互作用条件下，三维自由空间中不会存在稳定的孤子。

　　周正威等从理论上分析了自旋轨道耦合作用的引入对产生三维自由空间稳定孤子的可能性。他们通过维度分析方法估计出：虽然自旋轨道耦合作用的引入不能改变系统基态崩塌的结果，但自旋轨道耦合作用可以改变系统的能谱，从而产生了一个局域的能量极小值点，使系统存在一个亚稳态，在该亚稳态与崩塌之间存在一个势垒可保证亚稳态孤子的稳定性。

　　他们通过数值模拟验证了在不加入任何外加势场的情况下，自旋轨道耦合作用确实可以使具有吸引相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体处于稳定的孤子状态。此外，他们还研究了自旋轨道耦合作用的强度和双分量交叉相互作用对孤子稳定性的影响，以及孤子的动力学性质。这项研究成果在高维稳定孤子的研究领域指出了一种新的方向，也为实验上束缚冷原子提供了一种新的可能。

　　上述研究工作得到国家基金委、中科院、科技部和教育部的资助。

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图：3D孤子的空间密度分布。（a1，a2）弱交叉相互作用情况；（b1，b2）强交叉相互作用情况。