自旋轨道耦合(SOC)对费米系统凝聚和超流的影响

　
　　自旋轨道耦合（SOC）对费米系统凝聚和超流的影响 沈阳材料科学国家(联合)实验室磁性材料与磁学研究部周可召副研究员、张志东研究员运用场论方法（路径积分和格林函数）研究冷原子气体系统的基态、激发谱、量子相变以及凝聚和超流现象。一个重要的进展是，研究了自旋轨道耦合（SOC）对一个费米系统凝聚和超流的影响。运用路径积分方法和Hubbard-Stratonovich变换，推出了关于配对场的有效作用量，在鞍点（平均场）近似下得到了系统的基态能量并由此推出能隙和粒子数方程。根据非对角长程序的概念，发现系统的总凝聚密度应该等于单重态和三重态的总贡献，更正了 Phys. Rev. A 84， 033633（2011）中认为凝聚密度仅含单重态的贡献这个错误。运用phase-twist方法计算了超流密度张量，这种方法与通过线性响应理论研究系统的流关联函数来计算超流密度张量的方法是一致的。由于自旋轨道耦合的存在，系统的各向异性明显地体现在超流密度变为一个张量。分析了在这样一个不满足伽利略变换不变性的系统中朗道关于超流密度计算公式的局限性。通过求解能隙和粒子数方程，得到能隙和化学势以及凝聚密度和超流密度随系统参数的变化行为。结果表明，在零温下自旋轨道耦合增强了凝聚，但抑制了超流。由于能隙以及凝聚密度均与费米面附近粒子的配对有关，因此费米面上的态密度决定了能隙（配对场）和凝聚的大小。计算发现只当自旋轨道耦合大于某个特征值时，凝聚密度才有明显地增加，与态密度的行为一致。自旋轨道耦合对超流的抑制和三重态配对场的存在紧密相关。由于自旋三重态的行为与正常态类似（零温时，自旋磁化率不为零），因此，自旋轨道耦合抑制超流是通过自发地产生三重态配对来实现的，与杂质通过耗散的方式抑制超流截然不同。以上所述现象在三维和二维中均存在。鉴于自旋轨道耦合对凝聚和超流的这种相反作用，被推荐人预言在杂质和自旋轨道耦合的共同调制下，系统将更易于出现玻色玻璃态。被推荐人发现的这种由自旋轨道耦合引起的凝聚和超流的相反行为已经引起了国际同行的很多关注。论文发表在国际著名学术刊物Phys. Rev. Lett. 108, 025301 (2012)。

图1：三维费米体系的凝聚密度（上）和超流密度（下）随自旋-轨道耦合的变化以及与1/kFa的关系。

图2：二维费米体系的凝聚密度（上）和超流密度（下）随自旋-轨道耦合的变化以及与ln(EB/EF)的关系。

论文链接： http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i2/e025301 http://arxiv.org/abs/1110.3565