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  近日,中国科学院物理所刘伍明研究员与金属研究所张志东研究员、梁兆新博士生合作,在玻色-爱因斯坦凝聚态的理论研究中取得突破性进展,获得了外势作用下原子相互作用参数随时间变化的玻色-爱因斯坦凝聚体中的孤子。该研究结果发表在2月11日出版的《物理评论快报》上(Physical Review Letters)。

  1924年,印度科学家玻色 (Bose) 将光子作为数量不守恒的粒子成功地导出了普朗克黑体辐射定律。爱因斯坦(Einstein) 将其推广到全同粒子理想气体,从理论上预言了玻色-爱因斯坦凝聚现象的存在,即在很低的温度下,无相互作用的玻色子会在最低能量量子态上突然凝聚,达到可观的数量。玻色-爱因斯坦凝聚体具有奇特性质,通过对它的研究,可以研究原子间的相互作用力、外场等对物质凝聚过程及动力学的影响。这不仅对基础研究有重要意义,而且在原子激光、原子钟、原子芯片技术、精密测量、量子计算机和纳米技术等领域都有非常好的应用前景。

  由于找不到合适的实验体系以及受实验技术的限制,玻色-爱因斯坦凝聚的早期实验研究进展十分缓慢。1995年7月美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所 (JILA) Wieman小组首先在实验中观察到了87Rb原子的玻色-爱因斯坦凝聚现象。2001年度诺贝尔物理学奖授予了Eric A. Cornell、Wolfgang Ketterle、Carl E. Wieman,表彰他们在实现弱相互作用玻色气体的玻色-爱因斯坦凝聚实验方面的开创性工作。2004年国际著名学术刊物《科学》将实现费米子的玻色-爱因斯坦凝聚评为年度国际科技十大进展之一。玻色-爱因斯坦凝聚的理论和实验研究已成为国际物理学界的研究热点之一。

  玻色-爱因斯坦凝聚在平均场理论框架下可以用Gross-Pitaevskii方程描述,并在一定条件下可以化为一维非线性薛定谔方程,但至今仅标准非线性薛定谔方程可以严格求解。获得不同类型的非线性薛定谔方程的严格解对研究和深入了解玻色-爱因斯坦凝聚的行为具有非常重要的意义。刘伍明、张志东和梁兆新合作研究给出了一个一维非线性薛定谔方程的严格解,它描述了在一个排斥势中随时间变化的原子间相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚的亮孤子的动力学。发现在亮孤子中的原子数可以保持一个动力学平衡:在亮孤子和背景间存在一个时间周期的原子的交换。结果表明,在一定的参数范围内,亮孤子可以通过增加原子的散射长度被挤压成非常高的局域物质密度。这提供了一个实验的工具来确认一维Gross-Pitaevskii方程的适合应用的范围,并可以实现对玻色-爱因斯坦凝聚态的挤压与控制。由于一维非线性薛定谔方程还可以描述光子晶体、光纤通信、磁性孤立子等许多物理系统的非线性动力学行为,因此这项研究结果对这些研究领域也将有很大的启迪。

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