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凝聚态物理研究的新动向

凝聚态物理研究的新动向. 红河学院物理系 王世恩. Contents. 自旋电子学（ spintronics ） 冷原子的操控 Solitary Excitations of Dipolar Bosons in Optical Lattice under Magnetic Fields. 1.1 自旋电子学研究的重要应用目的. 超高密度存储器件 相关自旋量子控制器件 量子信息运算器件. 1.2 量子霍尔效应. 经典霍尔效应 1879 年 美国 霍尔 (E. H. Hall) 整数量子霍尔效应

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凝聚态物理研究的新动向

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Presentation Transcript

  1. 凝聚态物理研究的新动向 红河学院物理系 王世恩

  2. Contents • 自旋电子学（spintronics） • 冷原子的操控 • Solitary Excitations of Dipolar Bosons inOptical Lattice underMagnetic Fields

  3. 1.1自旋电子学研究的重要应用目的 • 超高密度存储器件 • 相关自旋量子控制器件 • 量子信息运算器件

  4. 1.2 量子霍尔效应 • 经典霍尔效应 1879年 美国 霍尔(E. H. Hall) • 整数量子霍尔效应 1980年 德国 冯克利青(von Klitzing) 1985年诺贝尔奖 • 分数量子霍尔效应 1982年 华裔(美国) 崔琦等 1998年诺贝尔奖 (Daniel Tsui, H. L. Stormer, R. Laughlin)

  5. 1.3 自旋霍尔效应自旋流spintronics • Hirsch 提出的自旋霍尔效应 J. E. Hirsch, Phys. Rev. Lett. 83, 1834(1999). • 根据反常霍尔效应中无极化电子的非自旋散射势 • 可导致自旋相反的电子分列，从而形成自旋霍尔效应 (extrinsic spin Hall effect)，并进而可产生自旋流。 • 奥查隆小组的工作 Y. K. Kato, et al., Science, 306, 1910(2004)

  6. 具有自旋的带电粒子流的自旋极化分列示意图

  7. 1.3 自旋霍尔效应自旋流spintronics • 张守晟量子霍尔效应的规范场论统一描述 S. C. Zhang and J. P. Hu, Science, 294, 823(2001). • 室温下无耗散的量子自旋流 S. Murakami, et al., Science, 301, 1348(2003). • SO(5)转动群描述了室温下的两种超流态 超导流 量子Hall流 • 四维量子流体弦理论 Y. X. Chen, et al., Nucl. Phys. B638(2002)220.

  8. 1.3 自旋霍尔效应自旋流spintronics • 牛谦等人提出的广义内在的自旋霍尔效应 J. Sinova, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 126603(2004). 在Rashba势的驱动下，电子自旋沿二维电子系统平 面极化，并随电流的的流动分列，从而可形成广义上 内在的自旋霍尔效应(intrinsic spin Hall effect)。 • 剑桥的工作 J. Wunderlich, et al., Nature, ?, (2005)?.

  9. 1.4 目前的研究发展 • 不久前的自旋电子学 基本上都是基于铁磁和反铁磁金属的，如巨磁阻效应、铁磁和反铁磁金属自旋注入形成的自旋流等。 • 目前的发展 1、IBM投资Stanford大学成立专门的实验室，支持由S. C. Zhang教授主持的对此领域的相关物理基础及材料和器件的研究。 2、中科院自旋流相关量子现象及其应用探索创新工程项目 3、筹建中科院与高校科学家《自旋调控》伙伴小组

  10. 2 冷原子的操控 • 玻色－爱因斯坦凝聚(BEC) 1924-25年玻色提出不可区分的粒子(玻色子)的统计方法，爱因斯 坦预言 0 K时，大量这样的粒子将表现出一个粒子的行为，即出 现玻色－爱因斯坦凝聚状态。 • 玻色－爱因斯坦凝聚的实现 1995年朱棣文等人发展的激光冷却和磁阱技术使得 JILA小组的威依迈和 科纳尔和MIT的卡特勒实现了铷原子和钠原子的玻色－爱因斯坦凝聚。 1997年度诺贝尔物理学奖(美国科学家朱棣文，菲利浦斯和法国科学家达诺基因) 2001年度诺贝尔物理学奖(威依迈、科纳尔和卡特勒)

  11. 捕陷在一维光格子中的原子 1998年B. P. Anderson and M. A. Kasevich用两束对传 的激光束产生了一维的激光驻波，即形成了一维光格子。 捕陷在光格子内的原子有着类似于处在固体晶格中费米电 子的行为。 • 捕陷在三维光格子中的原子 M. Greiner, et al., Nature, 415, 39(2002). 实现了铷原子的超流态到Mott绝缘态的相变。

  12. 费米原子气体的BEC-BCS重叠 M. Greiner, et al., Nature, 426, 537(2003). S. Jochim, et al., Science, 302, 2101(2003). M. W. Zwierlein, et al., Phys. Rev. Lett. 91, 250401(2003). C. A. Regal, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 040403(2004). M. Bartenstein, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 120401(2004).

  13. Solitary Excitations of Dipolar Bosons inOptical LatticeunderMagnetic Fields • We consider a dilute gas of dipolar bosons in optical lattice with the following Hamiltonian

  14. The boson field operator (r) and +(r) can be expanded over Wannier functions • Then we can get the following extended Bose-Hubbard model: Using the time-dependent variation principle

  15. We can get the following equation of motion for BECs in the optical lattices: • When the magnetic field is enough intensive and the • magnetic moment of bosons is higher, the system • can possesses the following single soliton solution

  16. Only for the case of a time-independent magnetic field, we can see a interesting kind of the dynamic behavior of periodic oscillations resembled to the so-called “Bloch oscillations”

  17. For the weak magnetic field or lower magnetic moment, the system can possesses multi-solitary excitations

  18. 谢 谢！

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