F=1旋量玻色-愛因斯坦凝聚的向列壓縮

楊超楠,鄭任菲，趙興東,周魯

(1.華東師范大學 物理與電子科學學院,上海 200241；2.合肥工業(yè)大學 物理學院，合肥 230009；3.河南師范大學 物理學院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

與標量玻色-愛因斯坦凝聚[1-5](Bose-Einstein condensate,BEC)相比，旋量BEC是磁性超流，所以展現(xiàn)出更加豐富的物理性質，成為近幾年來實驗和理論的研究熱點[6-13].很多有趣的物理學現(xiàn)象在該體系中被觀測到，比如量子糾纏[7]、自旋壓縮[8]和自發(fā)退磁現(xiàn)象[14]等.因而，旋量BEC領域的研究具有極大的價值.自旋壓縮對量子信息的研究有重要的意義.在超高精密測量領域的作用也尤其突出.與自旋壓縮不同，向列壓縮引入了高階的向列張量，展現(xiàn)了更加豐富多元的壓縮性質[15].CHAPMAN等人[16]首次在實驗上實現(xiàn)了旋量BEC的向列壓縮.2013年，他們又發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定點與壓縮之間的關系[17].同年，日本東京的一個小組將向列壓縮歸類為第二類壓縮，并且給出了詳細的分類依據(jù)[18].很快，利用周期性微波脈沖將自旋向列壓縮存儲在旋量BEC中的方案出現(xiàn).在適當?shù)拿}沖周期和相移條件下，壓縮可以增強并保持較長時間，從而實現(xiàn)最大壓縮的存儲[19].同時，腔場中的BEC也可以產(chǎn)生向列壓縮[20].

本文從旋量BEC的模型[21-23]出發(fā)，在理論上總結了自旋向列壓縮的產(chǎn)生和動力學演化行為[24]，在自旋向列球上展示了極化態(tài)為初態(tài)的自旋向列壓縮的物理特性和壓縮圖像.然而，僅僅描繪極化態(tài)的壓縮行為顯然是不充分的，缺乏普遍性，因此，還研究了在任意初始態(tài)下系統(tǒng)的向列壓縮行為.

1 旋量BEC模型的介紹

考慮被冷卻并囚禁于三維磁光阱中的超冷原子，用于產(chǎn)生旋量BEC.對于F=1的旋量BEC，自旋磁量子數(shù)mF是-1,0,1,對應的3種塞曼態(tài)|F,mF〉：|1,1〉,|1,0〉|1,-1〉，如圖1所示[25-26].根據(jù)單模近似原理，在有限的磁場中旋量BEC的哈密頓量[27-28]

(1)

(2)

當2個區(qū)域都存在的時候，就會有分離線的存在.c<0,q>0時，分離線對應ε=0的等能線，ρ0=1對應系統(tǒng)的不穩(wěn)定點；c>0,q>0時，分離線對應ε=q的等能線，ρ0=0對應系統(tǒng)的不穩(wěn)定點.等能線的相圖可以用于預測初態(tài)未來的演化趨勢[23].

然而，平均場方法是在粒子數(shù)趨向于無窮大并忽略量子起伏的情況下得到的.顯然，在粒子數(shù)有限的情況下，與量子相關的性質，如壓縮、漲落等無法通過平均場方法體現(xiàn).雖然全量子方法可以很好地描述量子性質，但是其計算效率較低.當原子數(shù)目比較多時，全量子方法可能會達到計算機極限.而半經(jīng)典的截斷維格納近似方法[30]結合了平均場方法的思路和全量子中的漲落特點，用一個維格納分布代替一個點來描述初態(tài).這在解決壓縮這類問題中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢.既能保證計算速度，又可以準確地描述系統(tǒng)的量子特性[31-32].

2 向列壓縮

在研究自旋壓縮的時候，通常會定義自旋算符

應用變換ξ→10lgξ，相應地，ξmin≥0 dB代表沒有壓縮；ξmin<0 dB代表發(fā)生了壓縮，且ξmin的值越小，代表壓縮越明顯.可以看出，初始的時候ξmin=0 dB，代表沒有壓縮，隨著時間演化，最小正交方差不斷變小，直至t=43 ms,最小正交方差達到最小值，隨后壓縮仍然持續(xù)一段時間，但是壓縮強度逐漸變小.

如圖4(a),初始時刻態(tài)是一個在球體北極的圓形分布.圖中白色的線是等能線，其中穿過上頂點(不穩(wěn)定點)(0，0，1)的等能線對應相圖的分離線.將初態(tài)制備在不穩(wěn)定點，隨著時間變化態(tài)會沿著分離線壓縮，成為一條細長的曲線.然后散點會沿著分離線散開(圖4(c)).在180 ms時，散點開始沿著分界線的另一支壓縮，在北極處形成交叉的圖像.隨著壓縮的減弱，散點最終散開，但是并非完全散開，而是集中在分離線所在的曲面上(圖4(f)).將圖4中的一系列圖像進行投影，使用顏色標記散點的密度，得到圖5.

在圖5中，黃色代表散點的密度較大，其次是綠色和藍色.從投影圖可以更加直接觀測到Sx和Nyz.初始時刻，Sx和Nyz的分布近似是一個圓，說明此時沒有發(fā)生壓縮.隨著時間的演化，在60 ms時，Sx和Nyz的分布集中在一條線上，且這條線是與分離線重合的，說明此時沿著分離線發(fā)生了壓縮，并且壓縮越強，散點構成的區(qū)域面積越小，幾乎完全分布在分離線上；相反，壓縮越弱，散點逐漸分散(圖5(c)).Sx的漲落小于Nyz的漲落，說明對Sx有更加準確的測量.在180 ms時，在圖5(d)中散點開始沿著分離線的另一支壓縮.圖5(f)和圖5(c)的形狀相似，但是顏色分布有較大的差別，圖5(c)中黃色區(qū)域集中在中心和分離線上，而圖5(f)中黃色區(qū)域較少且只集中在中心，藍色區(qū)域散布在分離線圍成的閉合圖形中，此時壓縮強度較弱.由此可見，制備在不穩(wěn)點的初態(tài)總是沿著分離線壓縮的.

在旋量BEC的鐵磁相(c<0,q>0)中，不穩(wěn)定點往往對應ρ0=1的極化態(tài)，圖6(a)中給出了初態(tài)為ρ0=0.2的自旋相干態(tài)和初態(tài)為ρ0=1的極化態(tài)隨時間演化的動力學圖像，可以看到兩種初態(tài)最終都趨向于穩(wěn)態(tài)，趨于穩(wěn)態(tài)的時間略有不同，圖6(b)則標出了不同的初態(tài)在相圖的位置.

3 總 結

本文從理論上回顧了旋量BEC系統(tǒng)中的自旋向列壓縮特性，推導出了向列壓縮參數(shù)的形式，并從數(shù)值上模擬了在不穩(wěn)定點對應的態(tài)隨時間演化的規(guī)律.通過模擬自旋向列球及其投影圖更清楚地展示了旋量BEC系統(tǒng)中豐富的向列壓縮特性.并且，還研究了任意初態(tài)情況下系統(tǒng)的壓縮性質，發(fā)現(xiàn)某些自旋相干態(tài)的壓縮效果比極化態(tài)更佳.