馮子旭, 何維清, 張世全
(四川大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院, 成都, 610064)
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)(BEC)[1]是由微觀粒子的量子特性引起的宏觀現(xiàn)象[2-5].在最近的物理實(shí)驗(yàn)中,物理學(xué)家把不同組分的BEC混合在一起,使這些BEC 結(jié)合在一起形成量子液滴(液滴態(tài)).液滴態(tài)[6]可以用波函數(shù)描述,滿(mǎn)足如下的對(duì)數(shù)Gross-Pitaevskii方程(LogGPE):
(1)
這里x是空間變量,t是時(shí)間變量,Ω>0是角速度,β,σ是刻畫(huà)粒子間相互作用類(lèi)型的參數(shù),角動(dòng)量算子Lz和勢(shì)函數(shù)V(x)定義如下:
Lz=-i(x?y-y?x),
這里的d代表空間維度.
對(duì)于該對(duì)數(shù)非線(xiàn)性薛定諤方程,在實(shí)際應(yīng)用中我們主要關(guān)心其基態(tài)解和動(dòng)力學(xué)演化,本文的研究目標(biāo)就是構(gòu)造該方程基態(tài)解的數(shù)值解法.另一方面,對(duì)于經(jīng)典的非線(xiàn)性薛定諤方程基態(tài)解的研究已有豐富結(jié)果,如,對(duì)數(shù)非線(xiàn)性薛定諤方程(LogSE)基態(tài)解的存在性可以參考文獻(xiàn)[7].
在非線(xiàn)性薛定諤方程基態(tài)解的計(jì)算方面,Edwards和Burnett[8]用Runge-Kutta方法求解了一維和三維球?qū)ΨQ(chēng)基態(tài)解;Chiofalo 等[9]類(lèi)比動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法提出了虛擬時(shí)間演化法;Bao和Tang[10]提出利用有限元法直接極小化帶質(zhì)量約束的能量泛函,進(jìn)而得到基態(tài)解;Bao[11-13]等結(jié)合梯度流和單位球投影方法提出了歸一化梯度流方法,并構(gòu)造了向后歐拉差分和向后歐拉譜方法,在適當(dāng)初值下有效計(jì)算了基態(tài)和激發(fā)態(tài).值得注意的是,這些方法都是針對(duì)非對(duì)數(shù)非線(xiàn)性薛定諤方程的.眾所周知,由于對(duì)數(shù)非線(xiàn)性項(xiàng)的奇異性,這些方法并不能直接應(yīng)用到對(duì)數(shù)非線(xiàn)性薛定諤方程基態(tài)解的計(jì)算.本文將基于正則化能量泛函和歸一化梯度流構(gòu)造一種求解對(duì)數(shù)非線(xiàn)性薛定諤方程基態(tài)的數(shù)值方法.
本文剩余部分安排如下.第2節(jié)介紹方程(1)的基態(tài)定義和物理意義及帶正則化參數(shù)1<ε?0的正則化方法.第3節(jié)給出了具體的數(shù)值方法和計(jì)算過(guò)程.第4節(jié)我們用數(shù)值算例驗(yàn)證方法的可靠性.最后,第5節(jié)給出全文的結(jié)論.
方程(1)有兩個(gè)重要的相關(guān)物理量,分別是能量和質(zhì)量,定義如下:
(2)
(3)
其中
(4)
數(shù)學(xué)上,基態(tài)解φg(x)是能量泛函在質(zhì)量約束條件下的極小值點(diǎn),即
(5)
由于對(duì)數(shù)非線(xiàn)性項(xiàng)的奇異性,即當(dāng)ρ→0+時(shí),logρ→-∞,我們不能直接使用前文的方法.為了解決這個(gè)難題,我們參考正則化(ERLogSE)方法[14],對(duì)能量泛函的對(duì)數(shù)項(xiàng)引入正則化參數(shù)ε進(jìn)行修正,修正后的能量泛函為
(6)
其中正則化函數(shù)
或
(7)
根據(jù)正則化能量泛函,我們有如下的正則化方程:
fε(ρ)=(Fε(ρ))′
(8)
(9)
對(duì)于上式所得的基態(tài)解能量與原問(wèn)題的基態(tài)解能量的誤差,我們有下面的定理.
(10)
證明 首先,?φ∈S∩H1,有
利用不等式0≤log(1+x)≤x,?x≥0可得
-Cε≤E(φ)-Eε(φ)≤0.
根據(jù)基態(tài)的定義可知,
綜合上述不等式即可得到定理2.1.
為求解(5)式的能量泛函極小化問(wèn)題,我們首先對(duì)(1)式使用虛時(shí)演化:t→-it,再利用離散歸一化梯度流(DNGF) 方法.
選擇一個(gè)固定的時(shí)間步長(zhǎng)Δt>0.對(duì)n= 0,1,2, …和一個(gè)時(shí)間序列tn=nΔt,在每個(gè)時(shí)間步t∈[tn,tn+1),DNGF 方法如下:
?據(jù)墓志,韓顯宗卒于太和二十三年,時(shí)年三十四歲。參見(jiàn)趙超《漢魏南北朝墓志匯編》,天津古籍出版社2008年版,第39頁(yè)。
fε(|φε|2)φε,x∈Rd
(11)
(12)
φε(x,0)=φ0(x),x∈Rd,
(13)
i) 對(duì)無(wú)約束條件的能量泛函使用速降法;
ii) 為了滿(mǎn)足約束條件,在每個(gè)時(shí)間步將解拉回到解空間S.
接下來(lái)我們用向后歐拉傅里葉譜(BFFP) 方法來(lái)離散(11)~(13)式.由勢(shì)函數(shù)的性質(zhì),(11)~(13)式的解會(huì)在無(wú)窮遠(yuǎn)處呈指數(shù)衰減到零,所以在實(shí)際計(jì)算時(shí)我們可以把計(jì)算區(qū)域截?cái)嗟揭粋€(gè)合適的有界區(qū)域上,并假設(shè)解滿(mǎn)足零邊界條件.不失一般性,我們以二維的BFFP方法為例,對(duì)其它維數(shù)來(lái)說(shuō)也是類(lèi)似的.
在二維的情況下,對(duì)(11)~(13)式的截?cái)鄦?wèn)題如下:
fε(|φε|2)φε,x∈D,t∈[tn,tn+1)
(14)
(15)
φε(x,t)=0,x∈Γ=?D,t∈[tn,tn+1)
(16)
φε(x,0)=φ0(x),x∈D且有
(17)
這里的計(jì)算區(qū)域D=[a,b]×[c,d],其中|a|, |b|,|c|和|d|是足夠大的常數(shù).選擇空間網(wǎng)格,其中J和K是兩個(gè)正偶數(shù),網(wǎng)格點(diǎn)如下:
定義下標(biāo)集
TJK=(j,k)|j=1,2,…,J-1,
k=1,2,…,K-1,
k=0,1,2,…,K.
引入記號(hào)
則求解(14)~(15)式的BFFP方法離散格式為[11,15]:
(18)
(19)
對(duì)Δ,?x和?y,我們可以使用傅里葉譜方法逼近,即
(20)
(21)
(22)
在每一個(gè)時(shí)間步,為了求非線(xiàn)性方程組(18)式的解φε,(1),我們使用帶穩(wěn)定參數(shù)項(xiàng)的離散傅里葉變換方法,迭代求解下面的線(xiàn)性方程組,直至收斂:
iΩyk([?x]φε,(1),m)jk-iΩxj([?y]φε,(1),m)jk-
(23)
對(duì)(23)式兩邊使用離散傅里葉變換,有
(24)
(25)
的φε,(1),m+1即為當(dāng)前時(shí)間步的解φε,(1).
表1 對(duì)不同參數(shù)β,兩種正則化方法得出的基態(tài)解能量及能量之差Tab.1 The energy and energy difference of the ground state solution obtained by two regularization methods for different β
由上表可知,在數(shù)值上來(lái)說(shuō)兩種正則化方法的結(jié)果幾乎沒(méi)有區(qū)別.因此,在后面計(jì)算二維情況的基態(tài)解時(shí)我們統(tǒng)一使用第一種正則化方法.
從上圖1可知,左圖的正則化方法能量關(guān)于參數(shù)ε的收斂階高于一階,略低于三階;而右圖的正則化方法能量關(guān)于參數(shù)ε的收斂階高于一階,非常接近二階,與理論分析相符,并且數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果優(yōu)于理論結(jié)果.再由上表2可知,計(jì)算耗時(shí)基本不受正則化參數(shù)大小的影響.所以在求解基態(tài)時(shí)我們可以選擇盡可能小的正則化參數(shù).
表2 對(duì)不同的正則化參數(shù)ε,兩種正則化方法得出的基態(tài)解的運(yùn)行時(shí)間Tab.2 Running time of the ground state solution obtained by the two regularization methods for different ε
下面我們用第一種正則化方法來(lái)研究在正則化參數(shù)ε=10-14時(shí)的質(zhì)量M0和能量E0隨計(jì)算時(shí)間t的變化,結(jié)果如下.
根據(jù)圖2,我們可以看到該數(shù)值方法在此算例中是質(zhì)量守恒,能量穩(wěn)定的.
圖2 質(zhì)量M0隨時(shí)間的變化(a);能量E0隨時(shí)間的變化(b)Fig.2 The change of mass M0over time(a), and the change of energy E0 over time(b)
最后,應(yīng)用前面提出的數(shù)值方法計(jì)算LogSE的基態(tài)解.如文獻(xiàn)[6],我們?cè)O(shè)置各參數(shù)為:M=1 000,γx=γy=γ=0.04,β=1,σ=1,D=[-30,30]×[-30,30].我們選擇如下函數(shù)的線(xiàn)性組合作為初始函數(shù)[16]:
φ(x)=C|x|ke-γ|x|2/2+ikθ,
θ(x,y)=arctan(y/x),
C是歸一化常數(shù),使得‖φ0‖2=M.我們研究如下四種情況:
Case 1 Ω/γ=0,φ0(x,y)=Ce-γ|x|2/2;
Case 2 Ω/γ=0.375,
φ0(x,y)=C(x+iy)e-γ|x|2/2;
Case 3 Ω/γ=0.45,
φ0(x,y)=C|x|e-γ|x|2/2+iθ;
Case 4 Ω/γ=0.5125,
x1=(5,0)T,x2=(-5,0)T,
x3=(0,-5)T.
進(jìn)一步,我們?nèi)∵x擇非常小的正則化參數(shù)ε=10-14,時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.001以及網(wǎng)格J=K=28,計(jì)算結(jié)果如下.
圖3 (a~d)依次為Case 1~4的基態(tài)解Fig.3 From (a) to (d) are the ground states of Case 1~4
我們的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中的結(jié)果相符,這說(shuō)明了我們的方法的可靠性.
本文提出了帶正則化參數(shù)的ERLogSE方法,解決了對(duì)數(shù)非線(xiàn)性項(xiàng)在原點(diǎn)處的奇異性帶來(lái)的困難,并分析了正則化基態(tài)解與原問(wèn)題基態(tài)解的能量誤差估計(jì).基于正則化的能量泛函,本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的求基態(tài)解的數(shù)值格式,并用數(shù)值算例驗(yàn)證了方法的可靠性和理論分析的正確性.
四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年5期