玻色–爱因斯坦凝聚与量子霍尔效应是近现代理论与凝聚态物理研究的两大热点，旋转框架的构建为玻色系统研究两者之间提供了很好的平台。本文以超冷玻色气体为研究主体，通过谐振势与旋转构造特殊的旋转框架，获得与磁场中二维电子气体相似的哈密顿模型。同时，选取朗道规范和最低朗道能级近似，通过理论和数值上研究相互作用系数对系统基态能量和基态波函数的影响，其结果无量纲化表示。结果表明，在较弱的相互作用下，系统的基态为经典的玻色–爱因斯坦凝聚态，并随着相互作用增加，出现准粒子激发，借助Bogoliubov近似可以观测到与超流氦4类似的旋子激发谱结构。随后，继续增加相互作用则会出现涡旋阵列，其涡旋阵列的数目与相互作用系数密切相关，而涡旋的大小与旋转频率有关。最后，在较强的相互作用下，可以想象系统会进入一个涡旋高度密集的状态，当涡旋的数目与粒子数目出现数量级的特殊关系时，预计会形成量子霍尔结晶相，并可能出现分数量子霍尔现象，这为进一步研究量子化涡旋物理和量子霍尔效应提供了一个新的途径。

玻色–爱因斯坦凝聚，量子霍尔效应，超冷玻色气体，涡旋阵列

—The Beautiful Vortex in the Extremely Deep and Cold Quantum World

Xinting Cai, Renyuan Liao^*

College of Physics and Energy, Fujian Normal University, Fuzhou Fujian

Received: Mar. 5^th, 2024; accepted: May 22^nd, 2024; published: May 31^st, 2024

Bose-Einstein condensation and the quantum Hall effect represent two prominent areas of interest in modern theoretical and condensed matter physics research. The construction of rotating frames provides an excellent platform for the study of Bose system bridging the two. This paper focuses on ultracold Bose gases and establishes a specialized rotational framework using harmonic potentials and rotation, yielding a Hamiltonian model akin to that of two-dimensional electron gases in a magnetic field. Utilizing the Landau gauge and specifically approximating the lowest Landau level, the study investigates the influence of interaction coefficients on the ground state energy and wave function of the system through both theoretical and numerical approaches, with results presented in dimensionless units. The findings indicate that under weak interactions, the system’s ground state resembles a classical Bose-Einstein condensate. As the interaction strength increases, quasi-particle excitations emerge, with an observable roton-like excitation spectrum using the Bogoliubov approximation akin to superfluid helium-4. Subsequently, further escalation of interactions results in the formation of vortex arrays, with the number of vortex array closely tied to the interaction coefficient and their size dependent on the rotation frequency. Finally, under strong interactions, it is conceivable that the system will enter a highly dense state of vortices, when the number of vortices correlates with the particle count in a specific magnitude relationship, a quantum Hall crystal phase is anticipated to form, potentially exhibiting fractional quantum Hall phenomena. This provides a new approach for further research on quantum vortex physics and quantum Hall effects.

Keywords:Bose-Einstein Condensation, Quantum Hall Effect, Ultracold Bose Gas, Vortex Array

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自激光冷却技术出现 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 以及玻色–爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation，简称BEC)的实验室实现 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 以来，冷原子物理领域迅速成为量子科学研究的前沿。冷原子的温度极低，运动速度缓慢，粒子相互之间碰撞很少，同时，德布罗意波长很长，具有很强的相干性 [ 10 ] 。通过Feshbach共振等技术，可以实现对冷原子系统的高度精准操作，操纵冷原子并将其作为一个理想的研究平台，用于研究各种量子系统 [ 11 ] 。数十年来，冷原子广泛活跃于量子通信、量子计算与量子模拟、量子精密测量等新兴领域，是人们从宏观世界中理解微观量子世界，并从微观量子世界过渡到宏观世界很好的研究途径 [ 12 ] 。

旋转量子气体的研究是极其引人注目的，在旋转框架下观察冷原子云团的行为，在近现代几乎所有物理研究领域都有着重要的作用。从核物理，气象物理，到海洋物理，甚至在黑洞、恒星及宇宙的形成中，旋转量子气体的研究给了一个友好的模型框架，给科学家们去探索广袤的宇宙和微渺的粒子世界敞开了一扇大门。近几年，冷原子领域一直有人不断尝试通过使用不带电荷的中性原子来模拟磁场中的二维电子气体，以实现玻色版本的量子霍尔效应和观测物质的非阿贝尔相。其中，来自麻省理工学院的Richard Fletcher等人在2021年的实验上成功实现了这种想法 [ 13 ] 。小组成员通过压缩几何量子不确定性，成功地将BEC旋转，并将其限制在最低朗道能级(Lowest Landau level，简称LLL)中，通过调整转速和相互作用强度来模拟和调控强关联玻色流体的行为。随后，该小组进一步在朗道规范下研究纯粹相互作用驱动的动力学问题。通过将一百万个钠原子冷却到十亿分之一开尔文，并将其限制在特定的旋转规范势阱中，从凝聚物中观察到奇妙的量子龙卷风暴，并随之成功预测出量子霍尔结晶的出现 [ 14 ] 。

可以确切地说，旋转量子气体的研究为玻色–爱因斯坦凝聚与量子霍尔效应之间的研究架起了桥梁，本文以超冷玻色气体为研究主体，尝试着去理解和窥探相互作用和旋转下的粒子在量子世界里的各种行为。考虑将粒子云团绕z轴旋转，通过高而扁平的三维谐振势场，使粒子进一步只在z = 0处活动，这样我们只需研究二维体系，可以得到二维形式的有效哈密顿量。进一步求解这个哈密顿方程，系统基态和激发态的很多信息可以被发掘。在这个极尽深寒的量子世界里，可以发现，旋转在形式上等效于磁场的作用，由磁场的洛伦兹力更迭为径向的科里奥利力。力的作用使得自由粒子的状态被重构为更为离散并高度简并的朗道能级，对于低能情况，通过最低能级构造波函数同样可以描述我们的体系。当然，系统的性质对粒子间的相互作用异常敏感，在较弱的相互作用下，这时的系统是纯粹的玻色爱因斯坦凝聚，所有粒子全都占据在单粒子能量最低处，随着相互作用增加出现一定的激发，导致量子涡旋的出现并形成具有周期结构的涡旋阵列。同时，旋转速度的变化，也会影响涡旋的大小和密度。

在本文中，仅考虑朗道规范势 A = ( 0 , ω c x ) ，此时冷原子云团就像只在y方向流动的流体。在附录中，给出单体朗道规范波函数可由y方向的平面波函数与x方向的谐振子的本征函数

φ n , k y ( x , y ) = ( 1 2 n n ! π L y ) 1 / 2 H n ( x + k y ) exp { − ( x + k y ) 2 2 + i k y y } (15)

这里， H n ( x ) 是关于位置x上的厄米多项式。特别地，定义一个与厄米多项式 [ 18 ] 有关的函数

u n ( x ) = ( a π n ! 2 n ) 1 / 2 e − a 2 x 2 / 2 H n ( a x ) (16)

其满足规格化条件

∫ − ∞ ∞ u m ( x ) u n ( x ) d x = δ m , n (17)

因此场算符可用相应的单体朗道规范波函数作为基展开

Ψ ( r ) = ∑ n , k y 〈 x , y | 0 , k y 〉 b n , k y = ∑ n , k y φ n , k y ( x , y ) b n , k y (18)

这里， b n , k y 是状态 ( n , k y ) 的湮灭算符。对于低能系统，可以忽略较高的朗道能级，仅仅使用LLL展开是合理的，且可以大大降低计算的复杂程度。因此，单体朗道规范波函数可以进一步表示为

Ψ ( r ) = ( 1 π L y ) 1 / 2 ∑ k y b k y exp { − ( x + k y ) 2 2 + i k y y } (19)

将新的展开形式(19)应用到方程(11)中，同时对全空间积分，这时得到仅含 k y 自由度的一维哈密顿量

H = ∑ k y k y 2 2 b k y † b k y + g 2 D 2 S ∑ k y , p , q e − [ ( p + q ) 2 + q 2 ] / 2 b k y + p + q † b k y − q † b k y + p b k y (20)

这里， S = 2 π L y 。采用不同 k y 自由度下朗道规范波函数态叠加来定义波函数 [ 18 ]

| Ψ 〉 = ∑ i i = 0 ± N u m C o m / 2 C i i φ k i i ( x , y ) = N ∑ i i = 0 ± N u m C o m / 2 f i i e i θ i i φ k i i ( x , y ) (21)

这里， N u m C o m 是选取 k y 格点总数，称之为组分数 [ 19 ] ，ii是序号。 C i i 是对应选取子波函数的系数，为复数，定义一个归一化的系数f，满足

f i i = | C i i | / ∑ i i C i i * C i i (22)

θ i i 是相应的相位因子。接着定义

b i i | Ψ 〉 = N f i i e i θ i i | Ψ ′ 〉 b i i † | Ψ 〉 = N f i i e − i θ i i | Ψ ″ 〉 (23)

因此能量可以给出

E N = ∑ k y k y 2 2 f k y 2 + κ ∑ k y , p , q e − [ ( p + q ) 2 + q 2 ] / 2 e − i ( θ k y + p + q + θ k y − q − θ k y + p − θ k y ) f k y + p + q f k y − q f k y + p f k y (24)

这里， f i i ∈ [ 0 , 1 ] ， θ i i ∈ [ 0 , 2 π ] ， { k y , k y + p + q , k y − q , k y + p } ∈ k i i ， { f k y + p + q , f k y − q , f k y + p , f k y } ∈ f i i ， { θ k y + p + q , θ k y − q , θ k y + p , θ k y } ∈ θ i i ，约定 θ 0 = 0 ，相互作用系数 κ = g 2 D N / 2 S 。固定N的情况下，可以在上述定

义域中寻找E的最小值解Emin，从而获得系统的基态波函数和基态能量。

首先，我们研究组分数以及凝聚分数与相互作用之间的关系。表1为通过求解Emin确定的波函数叠加系数和相位因子以及其它详细的数据，通过这些数据可以得到相应下体系的基态波函数和基态能量，当然，我们仅仅罗列了关键节点的数据。图1给出了组分数与凝聚分数随相互作用系数 κ 的变化，从0增加到1.23、1.36和4.92，组分数也随之从单组分变化为三组分，然后是两组分，最后又变为三组分。在0~1.23区域，凝聚分数恒为1，粒子完全凝聚在最低能态上，表现为单组分，是典型的玻色爱因斯坦凝聚，我们将此区域记为S1区。对于1.23~1.36区域，凝聚分数随相互作用系数从1开始逐渐线性降低，但粒子绝大多数仍然凝聚在 k y = 0 处，只有少部分被激发，在逼近1.36处凝聚分数约为0.92，记为S2区域。到了1.36~4.92区域，凝聚分数则是恒定为0，粒子由少部分被激发突变成完全被激发，记为S3区域。对于大于4.92区域，凝聚分数随 κ 逐渐降低，此时凝聚分数完全激发退回到部分激发，和S2的情况不同的是，激发是相对充分的，此区域凝聚分数均小于S2区域，且随 κ 的增加逐渐下降。图2给出各区域边界系统的能量最小值与kc的分布关系，从无相互作用开始，此时能量最小值与kc无关，如图2(a)。随着 κ 进一步增加至1.23附近，突然变成在kc = 1.59处出现最小值，如图2(b)。随着相互作用增加kc也增加，当 κ 越过1.35到1.36之后，如图2(c)所示，能量最小值的取值kc由1.60突变为0.92，并同样随 κ 的增加而增加。在 κ = 4.92 附近，能量最小值处kc的取值由1.22左右变成了2.04附近。

对于系统的不同区域，密度分布与相位分布的存在明显地不同。图3(a)~(d)和图3(e)~(h)是相互作用系数 κ 分别为1、1.3、4、10时的密度分布和相位分布图，分别对应于S1~S4区域。对S1区域而言，无论相互作用系数 κ 如何变化，其密度分布为一条直的条纹，相位分布则恒为0。到了S2区域，密度分布从条纹状变成波浪纹状，相位分布则变成明显的“雪伽”型，相位正、负与零的交界处对应于波浪纹的凹点。同时，随 κ 的增加密度分布中的波纹变得越来紧密。临界点可以看成一个相变点，相变的结果是产生拓扑缺陷–涡旋。涡旋的环流是量子化的，涡旋的出现可以作为体系存在超流态的判据。在S3区域中，其密度分布图中出现量子化涡旋，涡旋数目随 κ 的增大而增加，涡旋中心之间的距离也变得越来越近，而相位分布则出现“雪伽”的交汇处。对于S4区域，密度分布中涡旋仍然存在，但涡旋列阵由一列变成两列，两列涡旋中心交替分布，同样满足随 κ 的增大涡旋数增加，且涡旋两边的密度图随 κ 的增加而变深。

表1. 不同相互作用系数 κ 下能量最优化解(最小值)结果数据

图1. 组分数和凝聚分数随相互作用系数 κ 的变化图

图2. 系统能量最小值Emin与kc的关系。(a) κ = 1.22 ；(b) κ = 1.23 ；(c) 从下到上： κ = 1.35 、1.36、1.37；(d) 从下到上： κ = 4.5 、4.92、5.5

图3. 不同相互作用系数 κ 下的密度分布和相位分布图。密度分布：(a) κ = 1 ；(b) κ = 1.3 ；(b) κ = 4 ；(b) κ = 10 ；相位分布：(e) κ = 1 ；(f) κ = 1.3 ；(g) κ = 4 ；(h) κ = 10

区域S2与S3间有一个重要节点，在这个点之前，粒子普遍分布在 k y = 0 态上，在这个点之后，无论是两组分，三组分还是更多组分，粒子将更多的被激发。根据模型求解时约定， θ 0 = 0 ，因此可以将凝聚部分的态产生和湮灭算符用C-数 N 0 表示 [ 20 ] ，即： b 0 † = b 0 = N 0 ， N 0 是系统凝聚在 k y = 0 态上的粒子总数，满足 N 0 = N | f 0 | 2 。任意的态产生和湮灭算符可以表示成凝聚和非凝聚部分的形式 [ 21 ] ，即

b s = N 0 δ s , 0 + b s ≠ 0 b s † = N 0 δ s , 0 + b s ≠ 0 † (25)

这里， k y = k c ⋅ s 。在节点之前，凝聚是主要部分，而激发是小量，可将动能项和相互作用项中保留 N 0 的平方项和四次方项，忽略其它小量，哈密顿量(20)则可近似写成

H B o g u l i u b o v = E 0 + ∑ s ≠ 0 [ α ( b s † b s + b − s † b − s ) + β ( b s † b − s † + b s b − s ) ] (26)

这里， E 0 = κ N ， α = s 2 k c 2 / 4 + 2 e − s 2 k c 2 / 2 κ ， β = e − s 2 k c 2 κ 。引入准粒子的产生算符 d † 和湮灭算符d，则原粒子产生算符 b † 和湮灭算符b与之满足Bogoliubov变换 [ 22 ]

( b s b − s † ) = ( u s − v s − v s u s ) ( d s d − s † ) (27)

直接对角化，得到系统能量

E = E 0 + ∑ s ≠ 0 [ ε s − κ ( 2 e − s 2 k c 2 / 2 − 1 ) − s 2 k c 2 4 ] + ∑ s ≠ 0 ε s d s † d s (28)

和激发谱

ε s = { 1 2 s 2 k c 2 +2 κ ( 2 e − s 2 k c 2 / 2 − 1 ) } 2 − 4 κ 2 e − 2 s 2 k c 2 (29)

其中，方程(28)中第一项E₀为系统基态能量，第二项为基态能量的修正项 Γ ，第三项为准粒子激发项。基态能量E₀与k_y无关，与相互作用系数 κ 呈正比，而基态能量修正项 Γ 与k_y有关，随k_y的分布如图4(a)所示。可以看出，对于基态来说，随着相互作用系数 κ 增加到1.225，体系也从单组分凝聚过渡到三组分，最小值点由一个变成三个，并开始出现元激发。图4(b)是方程(23)给出的Bogoliubov激发谱，当 κ = 0.65 时，开始出现旋子谱 [ 11 ] ，能谱结构与长程偶极相互作用或自旋轨道耦合的超流氦4类似 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] ，激发能谱表现出从k_y原点开始线性增长，这个线性区域称为声子激发。声子与原粒子显著不同，具有非常纯粹且普适的性质，其声子集合可以用来描述具有超流态系统的低能物理行为。随着k_y的增长，能谱出现拐点，能量首先出现最大值，然后出现最小值。其中能量接近最大值处称为maxons，最小值处称为旋子激发，旋子是超流体出现的另一种元激发，旋子之间可以通过交换声子相互关联，从而受到相互作用在系统集体行为的支配 [ 26 ] 。在 κ = 1.225 ，得到一个临界旋子点，在 k y = 1.6 处，其能量最低点与原点处值相同，对应于三组分凝聚的出现。然而，当相互作用系数 κ 越过1.225之后，其激发能量 ε s 是复数，这样的声子激发和旋子激发都是不稳定的，系统变得更加复杂。图4(c)是给出的稳定与不稳定激发能相互作用梯度随k_y的分布，在 κ > 1.225 时，这种激发的不稳定性变得愈加剧烈。最后，在 κ → ∞ 时，得到两个不稳定的Goldstone分支 k y = 0 和 k y = 1.33 。

随着相互作用系数 κ 继续增加，凝聚在 k y = 0 的部分已不在显著，Bogoliubov近似方案就变得不那么适用了，需要另辟蹊径。一个可预测的趋势是组分数会变得更多，而各组分支上的粒子数分布变得更平均，因此动能项对系统的影响就会变得越来越弱，相互作用对动能项的支配地位显著逐渐提高，表现为系统趋向于晶格化，一个可被证实的结果是出现局域结晶序。同时，随着涡旋数目的增加，晶体结构周期性增强，在某些情况下平移对称性和旋转对称性都可能出现，一些强关联量子态被预测，在粒子数N和涡旋数 N V 的一定比值下，可能存在整数和分数量子霍尔态 [ 27 ] 。这里，定义填充因子 υ = N / N V 。需要进一步说明的是，对于固定粒子总数的系统，为了获得足够多的涡旋数，这里不仅需要尽可能大的相互作用系数 κ ，使得涡旋能填满整个给定的空间，同时，也需要足够大的旋转频率，使得特征长度 l 足够小，涡旋变得更小，从而出现更多的涡旋，获得更小的填充因子，甚至出现分数填充。当然，对于玻色系统，填充因子的取值可以是任意的，包括足够大或者足够小的取值。对于不同的填充的因子，基态波函数会有不同结构。这里，给出一个临界的填充因子 υ c = 3 / ( 4 π α L 2 ) ≃ 7 ，其中 α L 2 ≃ 0.02 ，其基态出现周期性三角涡旋晶格结构，如图5(a)所示。图5(b)是三角涡旋晶格结构的局部放大示意图，这里，a是晶

格常数，同时，定义涡旋阵列之间的平均间距 l x 和 l y 。可知， N V = N u m C o m ⋅ n V ≃ 56 ，其中 n V = k c ⋅ L y / ( 2 π ) ， β = arctan ( l x / l y ) ≃ π / 3 ，其中 l x / l y = k c 2 / π ，此时 k c = 2.33 。

图4. 能谱分布。(a) 系统基态能修正项随k_y分布。(b) 系统激发能随k_y分布。(c) 稳定和不稳定激发能相互作用势梯度随k_y分布。从上到下，分别为0.25，0.5，0.875，1.225，1.275，1.750，2.5，25000

图5. 涡旋晶格模型。(a) 三角涡旋晶格。NumCom: 9，kc: 2.35. (b) 局部放大示意图。范围：(−5, −5) < (x, y) < (3, 3)

我们回顾了数值求解旋转框架下相互作用超冷玻色气体的过程，从无相互作用到相互作用系数 κ = 12.23 。主要聚焦于模拟相互作用迫使超冷玻色气体形成涡旋的过程，得到不同区域下的密度分布和相位分布，以及各个临界处的现象。然而，当相互作用增大时，系统的性质变得复杂，需要更好的计算方案的出现。我们保留了用最低朗道能级规范基波函数叠加成体系总波函数的方案，因为它在我们结果获得的过程中富有成效。总之，旋转框架下的超冷玻色气体是复杂的，关于它们的研究是迷人的。在较弱的相互作用下，系统的基态为玻色–爱因斯坦凝聚态，当相互作用增加，则激发谱中出现旋子结构，与超流氦4类似的。然而，这样的结构随着相互作用增加变得逐渐不稳定。当相互作用继续增加时则会出现具有周期性构型的涡旋阵列。涡旋阵列的数目是与相互作用系数密切相关，而涡旋的大小与旋转频率有关。在较强的相互作用下，当涡旋的数目与粒子数目出现数量级的特殊关系时，预计会形成量子霍尔结晶相。

国家自然科学基金面上项目(批准号：12174055)，量子玻色气体中超固态奇异性质的理论研究。

蔡新庭,廖任远. 旋转框架下的超冷玻色气体——极尽深寒的量子世界里的奇妙涡旋Ultracold Bose Gases in Frame Rotating—The Beautiful Vortex in the Extremely Deep and Cold Quantum World[J]. 凝聚态物理学进展, 2024, 13(02): 20-34. https://doi.org/10.12677/cmp.2024.132004