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Solitary matter wave in spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates with helicoidal gauge potential
Physical Review E ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-09-21 , DOI: 10.1103/physreve.104.034214 Xiao-Xun Li 1 , Rui-Jin Cheng 1 , Ji-Li Ma 1 , Ai-Xia Zhang 1 , Ju-Kui Xue 1
Physical Review E ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-09-21 , DOI: 10.1103/physreve.104.034214 Xiao-Xun Li 1 , Rui-Jin Cheng 1 , Ji-Li Ma 1 , Ai-Xia Zhang 1 , Ju-Kui Xue 1
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We analytically and numerically study the different types of solitary wave in the two-component helicoidal spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates (BECs). Adopting the multiscale perturbation method, we derive the analytical bright and dark solitary wave solutions of the system, and the stationary and moving bright (dark) solitary waves are obtained. The effects of spin-orbit coupling, the helicoidal gauge potential, the momentum, the Zeeman splitting, and the atomic interactions on the solitary wave types are discussed, and it is found that the coupling of these physical parameters can manipulate different types of solitary waves in the system. The results indicate that the helicoidal gauge potential breaks the symmetric properties of the energy band of the system and adjusts the energy band structure, thus further effecting the solitary wave properties, i.e., stationary or moving solitary wave, bright, or dark solitary wave. Correspondingly, the analytical predictions for exciting stationary or moving bright (dark) solitary wave in parameter space are obtained. In particular, the helicoidal gauge potential changes the solitary wave types drastically for the weak spin-orbit coupling, i.e., in the absence of the helicoidal gauge potential, only dark (bright) solitary wave solutions exist in the system with repulsive (attractive) atomic interaction; however, in the presence of the helicoidal gauge potential, both dark and bright solitary waves can exist in the system regardless of whether the atomic interaction is repulsive or attractive. In addition, we investigate the stability of solitary waves and obtain the stability regions of different types of solitary waves by applying the linear stability analysis. The dynamic evolution results of the solitary waves by the direct numerical simulation not only validate the linear stability analysis but also confirm the analytical prediction of the solitary waves. Finally, the collision effects between solitary waves are also presented by the numerical simulation. It is shown that the interactions between solitary waves in the system have both elastic and inelastic collisions, which are closely related to the position of solitary wave states in the linear energy band. Our results provide a potential way to adjust the types of solitary waves in BECs with helicoidal gauge potential.
中文翻译：
自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚中的孤立物质波具有螺旋规范势
我们通过分析和数值研究了双分量螺旋自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC) 中不同类型的孤立波。采用多尺度微扰法，推导出系统的明暗孤立波解析解，得到静止和运动的明（暗）孤立波。讨论了自旋轨道耦合、螺旋规范势、动量、塞曼分裂和原子相互作用对孤立波类型的影响，发现这些物理参数的耦合可以操纵不同类型的孤立波在系统中。结果表明，螺旋规范势打破了系统能带的对称性质，调整了能带结构，从而进一步影响孤立波特性，即静止或移动的孤立波、亮或暗孤立波。相应地，获得了在参数空间中激发静止或运动的亮（暗）孤立波的解析预测。特别是，对于弱自旋轨道耦合，螺旋规范电位极大地改变了孤立波类型，即，在没有螺旋规范电位的情况下，具有排斥（吸引力）原子的系统中仅存在暗（亮）孤立波解。相互作用; 然而，在存在螺旋规范势的情况下，无论原子相互作用是排斥还是吸引，系统中都可以存在暗和亮的孤立波。此外，我们研究了孤立波的稳定性，并通过应用线性稳定性分析获得了不同类型的孤立波的稳定区域。孤立波的直接数值模拟动力学演化结果不仅验证了线性稳定性分析，而且证实了孤立波的解析预测。最后，数值模拟还给出了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。孤立波的直接数值模拟动力学演化结果不仅验证了线性稳定性分析，而且证实了孤立波的解析预测。最后，数值模拟还给出了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。孤立波的直接数值模拟动力学演化结果不仅验证了线性稳定性分析，而且证实了孤立波的解析预测。最后，数值模拟还给出了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。数值模拟还体现了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。数值模拟还体现了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。
更新日期：2021-09-21
中文翻译：
自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚中的孤立物质波具有螺旋规范势
我们通过分析和数值研究了双分量螺旋自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC) 中不同类型的孤立波。采用多尺度微扰法，推导出系统的明暗孤立波解析解，得到静止和运动的明（暗）孤立波。讨论了自旋轨道耦合、螺旋规范势、动量、塞曼分裂和原子相互作用对孤立波类型的影响，发现这些物理参数的耦合可以操纵不同类型的孤立波在系统中。结果表明，螺旋规范势打破了系统能带的对称性质，调整了能带结构，从而进一步影响孤立波特性，即静止或移动的孤立波、亮或暗孤立波。相应地，获得了在参数空间中激发静止或运动的亮（暗）孤立波的解析预测。特别是，对于弱自旋轨道耦合，螺旋规范电位极大地改变了孤立波类型，即，在没有螺旋规范电位的情况下，具有排斥（吸引力）原子的系统中仅存在暗（亮）孤立波解。相互作用; 然而，在存在螺旋规范势的情况下，无论原子相互作用是排斥还是吸引，系统中都可以存在暗和亮的孤立波。此外，我们研究了孤立波的稳定性，并通过应用线性稳定性分析获得了不同类型的孤立波的稳定区域。孤立波的直接数值模拟动力学演化结果不仅验证了线性稳定性分析，而且证实了孤立波的解析预测。最后，数值模拟还给出了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。孤立波的直接数值模拟动力学演化结果不仅验证了线性稳定性分析，而且证实了孤立波的解析预测。最后，数值模拟还给出了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。孤立波的直接数值模拟动力学演化结果不仅验证了线性稳定性分析，而且证实了孤立波的解析预测。最后，数值模拟还给出了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。数值模拟还体现了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。数值模拟还体现了孤立波之间的碰撞效应。结果表明，系统中孤立波之间的相互作用既有弹性碰撞又有非弹性碰撞，这与孤立波态在线性能带中的位置密切相关。我们的结果提供了一种潜在的方法来调整具有螺旋规范电位的 BEC 中孤立波的类型。
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