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1995年,Ketterle、Wiemna和Comell等首次在碱金属原子气体中实现了玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)现象,在实验上直接证实了爱因斯坦在80多年前预言的BEC理论,开创了原子低温动力学研究的新里程碑。光格子中的凝聚体,由于原子的量子效应,原子在光格子中可以隧穿,表现为超流态;我们增加势垒的高度,原子被束缚在势垒中,实现超流到莫特绝缘态。在绝缘态,各光格子有确定的原子数,没有确定的相位,并且激发是有能隙的;在超流态,原子有很好的相干性,激发是没有能隙的。超流体存在一个与自旋分量相关的非零的临界速度,流体的速度超过这个临界速度将破坏超流相。
本文利用波戈留波夫变换推导出在有外磁场存在的情况下光晶格中自旋1的超冷玻色气体的元激发能谱和超流临界速度,用同样的方法得到光晶格中自旋2的超冷玻色气体的元激发谱和超流临界速度。我们发现:束缚在光晶格中的自旋1的超冷玻色气体,由于有外加磁场的作用,自旋自由度将被冻结,具体表现为自旋磁量子数为士1的超冷玻色子其超流临界速度为0,这样的玻色子不存在超流相,而自旋磁量子数为0的玻色子由于没有磁矩,存在非零的超流临界速度,即存在超流相;对于束缚在无外加磁场的光晶格中的自旋2的超冷玻色子,其所有自旋分量的玻色子都存在超流相,且五种自旋分量的玻色子其超流临界速度是不同的;不论是有外磁场的光晶格中自旋1的超冷玻色子,还是没有外磁场的光晶格中自旋2的超冷玻色子,隧穿矩阵J,相互作用矩阵元U和格点平均粒子数n的增大都将引起元激发能谱和超流临界速度的增大。
全文共分五章:第一章,介绍BEC的基本理论和实验及其研究进展。第二章,介绍光品格的产生及其物理特性,s-波散射长度,玻色一哈伯德模型和朗道超流理论。第三章,我们用波戈留波夫变换方法推导出在外加磁场的光晶格中自旋1的超冷玻色气体的元激发能谱和超流临界速度以及光晶格中自旋2的超冷玻色气体的元激发能谱和临界速度。分析了各物理参数对超流性的影响,超流临界速度与自旋分量的相关性及其可操控性,为实验探测超流相及光晶格中旋量玻色-爱因斯坦凝聚体的组分分离提供了可能。最后一章是对本文的总结和今后工作的展望。