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《玻色:爱因斯坦凝聚中的量化涡旋及其动力学》的特点与独到之处是我们设计了一种模守恒且能量递减的数值方法来求得静态的Gross-Pitaevskii方程(组)的数值解;我们也设计了一种高精度且快速的方法-时间分裂谱方法来求解动态的Gross-Pitaevskii方程(组)的数值解;并用所求得的数值解来分别模拟玻色-爱因斯坦凝聚体的基态与动力学,特别是揭示了基态中的涡旋现象及涡旋运动规律。《玻色:爱因斯坦凝聚中的量化涡旋及其动力学》提出的高效数值方法可以为人们利用计算机研究玻色-爱因斯坦凝聚现象提供理论方法,加深人们对第五种物质-玻色-爱因斯坦凝聚体的理解,最终使人们更方便掌握这种物质现象的各种规律,以便更好地使之在国民经济建设中发挥作用。《玻色:爱因斯坦凝聚中的量化涡旋及其动力学》提出的高效数值方法使用方便,不仅仅只可以用在研究玻色-爱因斯坦凝聚现象,还可以推广应用到其它科学问题之中:例如一般能量泛函在有限制性条件下的求极值计算问题、具有守恒率的偏微分方程(组)的数值求解问题等。《玻色:爱因斯坦凝聚中的量化涡旋及其动力学》在在描述理论和数值方法过程中深入浅出,从简单到复杂,循序渐进。既有深奥的理论说明,又有详细的算法推导过程;既有原始的物理模型,又有数学的简化过程;这些让读者既领悟到了数值模拟的具体过程,又了解了玻色-爱因斯坦凝聚这一极低温度的物理现象。
Preface
Chapter 1 Introduction
1.1 Brief history of Bose-Einstein condensation
1.2 Quantized vortex states in BEC
1.3 Review on numerical methods for stationary states
1.4 Review on numerical methods for the time-dependent GPE
1.5 Scope of this book
Chapter 2 Stationary states for rotating BEC
2.1 GPE in a rotational frame
2.1.1 Dimensionless GPE
2.1.2 Reduction to two dimensions
2.2 Stationary states
2.2.1 Semiclassical scaling and geometrical optics
2.2.2 Ground state
2.2.3 Approximate ground state
2.2.4 Excited states
2.2.5 Critical angular velocity in symmetric trap
2.3 Numerical methods for stationary states
2.3.1 Gradient flow with discrete normalization
2.3.2 Energy diminishing
2.3.3 Continuous normalized gradient flow
2.3.4 Fully numerical discretization
2.4 Numerical results
2.4.1 Initial data for computing ground state
2.4.2 Results in 2D
2.4.3 Results in 3D
2.4.4 Critical angular velocity
2.4.5 Numerical verification for dimension reduction
2.4.6 Errors of the TF approximation
2.4.7 Spurious numerical ground states when |Ω|≥γxy=1
2.5 Conclusion
Chapter 3 Dynamics of rotating BEC
3.1 Some properties of the GPE
3.2 A TSSP method for the GPE
3.2.1 Time-splitting
3.2.2 Discretization in 2D
3.2.3 Discretization in 3D
3.2.4 Stability
3.3 Numerical results
3.3.1 Accuracy test
3.3.2 Dynamics of a vortex lattice in rotating BEC
3.3.3 Generation of giant vortex in rotating BEC
3.4 Conclusion
Chapter 4 Applications to stationary states of rotating two-component BEC
4.1 The time-dependent coupled GPEs
4.1.1 Dimensionless coupled GPEs
4.1.2 Reduction to two dimensions
4.1.3 Semiclassical scaling
4.2 Stationary states
4.2.1 Ground state
4.2.2 Symmetric and central vortex states
4.2.3 Numerical methods for the stationary states
4.2.4 Numerical results for the stationary states
4.3 Conclusion
Chapter 5 Applications to dynamics of rotating two-component BEC
5.1 Some properties of the coupled GPEs
5.2 A TSSP method for the coupled GPEs
5.2.1 Time-splitting
5.2.2 Discretization in 2D
5.2.3 Stability
5.3 Numerical results for the dynamics
5.4 Conclusion
Chapter 6 Application into ground state of spinor BEC
6.1 A continuous normalized gradient flow
6.1.1 Euler-Lagrange equations
6.1.2 A continuous normalized gradient flow
6.2 Normalization and magnetization conservative and energy diminishing numerical scheme
6.2.1 Semi-discretization in time
6.2.2 A fully discretized method
6.3 Numerical results
6.3.1 Choice of initial data and energy diminishing
6.3.2 Accuracy test
6.3.3 Applications
6.4 Conclusion
Chapter 7 Applications to dynamics of spinor F=1 BEC
7.1 The generalized Gross-Pitaevskii equations
7.2 A TSSP method for the generalized GPEs
7.2.1 Time-splitting
7.2.2 Discretization in 2D
7.2.3 Stability
7.3 Numerical results
7.3.1 Accuracy tests
7.3.2 Generation of vortices
7.3.3 Dynamics of a vortex lattice
7.4 Conclusion
Chapter 8 Concluding remarks and future work
Bibliography 2100433B
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玻色-爱因斯坦凝聚态
Bose-Einstein condensation (BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的"凝聚" 与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然"凝聚"到同一状态(一般是基态)。即处于不同状态的原子"凝聚"到了同一种状态。
形象地说,这就像让无数原子"齐声歌唱",其行为就好像一个玻色子的放大,可以想象给我们理解微观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质,在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用景。全世界已经有数十个室验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属,还有氦原子,铬原子和镱原子等。
(详见百度百科-玻色-爱因斯坦凝聚态)
玻色气体(英语:Bose gas)是一个经典的理想气体的量子力学模型。其概念相似于费米气体。
结合萨特延德拉·玻色和爱因斯坦共同提出的理想的玻色气体,指的是在足够低的温度下〈接近0K〉一群玻色子会形成所谓的固化物。但这样的行为和经典的理想气体不同。而固化物的形成即所认知的玻色–爱因斯坦凝聚。
玻色子具有整数自旋,并遵守玻色-爱因斯坦统计。萨特延德拉·纳特·玻色阐明了光子的表现,并为统计力学遵从量子规则的微系统提供了机会,1924年写了一篇推导普朗克量子辐射定律的论文寄给当时在德国的爱因斯坦,爱因斯坦意识到这篇论文的重要性,并将其扩展到不同的经典理想气体的宏观粒子,不但亲自把它翻译成德语,还以玻色的名义把论文递予名望颇高的《德国物理学刊》("Zeitschrift für Physik")发表。