近年來，彎曲空間的量子體系越來越受到人們關(guān)注，這種體系所具備的非平庸實(shí)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其展現(xiàn)出與平直空間截然不同的量子屬性，諸如環(huán)狀體系的持續(xù)性超流，封閉殼層中的渦旋-反渦旋對(duì)、拓?fù)淙毕菀约白愿缮娆F(xiàn)象等等。作為彎曲空間量子體系的典型代表，殼層狀玻色凝聚體近年來激發(fā)起人們廣泛的研究興趣，這些研究很大程度上得益于原子氣泡在冷原子平臺(tái)的成功制備，包括美國國家航空航天局的空間站冷原子實(shí)驗(yàn)室以及香港中文大學(xué)冷原子實(shí)驗(yàn)組分別利用微重力條件和魔幻波長光勢(shì)阱成功實(shí)現(xiàn)了殼層狀的玻色凝聚體。然而，這些嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件也在很大程度上限制了對(duì)彎曲空間體系更深度的探索，尋找更方便易操作的實(shí)驗(yàn)方案因此是一個(gè)重要的研究目標(biāo)。自2015年以來，量子液滴這種新型玻色凝聚體在冷原子中的提出和實(shí)現(xiàn)為達(dá)成以上目標(biāo)提供了契機(jī)。作為一種自束縛的多體體系，量子液滴中的不同組分在沒有任何外勢(shì)條件下將以同等的重力加速度下落，不會(huì)引起任何相對(duì)位移，有助于封閉殼層的形成，從而克服了以上所提到的嚴(yán)苛實(shí)驗(yàn)條件（微重力或特殊光阱）。那么，如何實(shí)現(xiàn)具有殼層形狀的自束縛量子液滴？
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔曉玲研究員與博士后麻銀峰（現(xiàn)入職海軍工程大學(xué)）在構(gòu)造殼層狀量子液滴這一問題上取得了突破性進(jìn)展。他們提出利用三組分的玻色體系（1，2，3），其中（1，2）和（2，3）兩對(duì)各自形成量子液滴，而1-3之間極強(qiáng)的排斥作用使得兩對(duì)液滴處于相分離狀態(tài)，自然地形成了內(nèi)核和殼層結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于共同組分（2）的表面張力，為兩個(gè)相分離的液滴搭建了鏈接的橋梁，從而整個(gè)體系呈現(xiàn)自束縛特征（圖1）。通過對(duì)實(shí)際Na23-K3?-K?1 三組分玻色體系的Gross-Pitaevskii 方程數(shù)值模擬，這種穩(wěn)定的殼層狀自束縛液滴態(tài)被成功驗(yàn)證。
圖1: (a) 實(shí)現(xiàn)自束縛殼層結(jié)構(gòu)的相互作用模型。(b) 相分離液滴的半球面結(jié)構(gòu)以及典型密度分布。
研究發(fā)現(xiàn)，這種內(nèi)核-殼層并存的自束縛玻色凝聚體具有新奇的平衡態(tài)特征。通過增大內(nèi)核的原子數(shù)，外部殼層可以被排斥到更大的球半徑，形成覆蓋在巨大內(nèi)核上非常薄的封閉殼層。與傳統(tǒng)的相分離玻色氣體不同，由于共同組分的存在，內(nèi)核與殼層之間存在極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)的體現(xiàn)之一是，殼層的存在使得內(nèi)核液滴的平衡條件與真空顯著不同，其平衡密度可由殼層部分的參數(shù)靈活調(diào)節(jié)。另外，關(guān)聯(lián)還體現(xiàn)在該體系的集體激發(fā)模式上，不同的集體激發(fā)模式可以方便地將內(nèi)核和殼層區(qū)分開來。相關(guān)文章發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 134, 043402 (2025)。
綜上，該工作提出了一種新型的利用自束縛量子液滴來構(gòu)造殼層狀玻色凝聚體的理論方案，可以廣泛地適用于其它維度的非平庸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也開辟了研究量子漲落與彎曲幾何結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用及物理效應(yīng)的新方向。該工作受到國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。
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