I. Tổng quan về ngưng tụ Bose Einstein
Ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) là trạng thái lượng tử vĩ mô của một số lượng lớn các hạt boson khi nhiệt độ của hệ thấp hơn nhiệt độ tới hạn. Hiện tượng này liên quan đến nhiều đặc tính quan trọng của vật chất như siêu dẫn (superconductivity) và rối lượng tử (quantum entanglement). Nghiên cứu về BEC đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học, đặc biệt là sau khi thí nghiệm về sự tồn tại của BEC được thực hiện thành công vào năm 1995. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng BEC có thể được tạo ra từ các nguyên tử siêu lạnh như 87Rb, 23Na, và 7Li. Kỹ thuật thực nghiệm đã phát triển mạnh mẽ, cho phép điều khiển các tham số quan trọng như cường độ tương tác giữa các thành phần trong BEC thông qua phương pháp cộng hưởng Feshbach. Điều này đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật lý lượng tử và công nghệ thông tin lượng tử.
1.1. Hiện tượng ngưng tụ Bose Einstein
Hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein xảy ra khi một số lượng lớn các hạt boson cùng chiếm một trạng thái năng lượng thấp nhất. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ tới hạn (Tc), số lượng hạt trong trạng thái này tăng lên đáng kể. Điều này dẫn đến sự hình thành của BEC, nơi mà các hạt không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, cho phép nhiều hạt cùng tồn tại trong một trạng thái lượng tử. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng BEC có thể xảy ra với các hạt fermion nếu chúng kết cặp thành các hạt boson giả. Nhiệt độ xuất hiện của BEC thường rất thấp, dưới 10^-3 K, và các thí nghiệm đã xác nhận rằng nhiệt độ của BEC có thể đạt khoảng 10^-4 K.
II. Lý thuyết Gross Pitaevskii cho hệ BECs không giới hạn
Lý thuyết Gross-Pitaevskii (GPE) là công cụ chính để mô tả trạng thái ngưng tụ của hệ BEC. GPE được thiết lập từ nguyên lý tác dụng tối thiểu và mô tả sự tương tác giữa các hạt trong hệ. Phương trình này cho phép tính toán các đặc tính vật lý của BEC, bao gồm năng lượng và mật độ hạt. GPE phụ thuộc vào thời gian và có thể được sử dụng để phân tích các hiện tượng như chuyển pha và sức căng bề mặt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GPE có thể được áp dụng cho các hệ BEC không giới hạn, giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng lượng tử trong các hệ này.
2.1. Phương pháp DPA cho hệ BECs không giới hạn
Phương pháp DPA (Density Profile Approximation) được sử dụng để tìm nghiệm gần đúng cho GPE trong các hệ BEC không giới hạn. Phương pháp này cho phép khai triển hàm sóng ngưng tụ ở mỗi phía của mặt phân cách, từ đó tính toán các đặc tính như sức căng mặt phân cách và năng lượng dư trên mặt phân cách. Kết quả từ phương pháp DPA cho thấy rằng sức căng mặt phân cách là năng lượng tương tác giữa hai thành phần ngưng tụ trên một đơn vị diện tích, và đóng góp của mỗi thành phần vào sức căng mặt phân cách tỉ lệ thuận với độ dài hồi phục của hàm sóng ngưng tụ tương ứng.
III. Hiệu ứng kích thước hữu hạn trong hệ BECs bị giới hạn
Nghiên cứu về hiệu ứng kích thước hữu hạn trong hệ BEC bị giới hạn bởi các tường cứng là một lĩnh vực mới và quan trọng. Các nghiên cứu này tập trung vào việc xác định sức căng mặt phân cách và hiện tượng chuyển pha ướt trong các hệ BEC bị giới hạn. Việc xem xét ảnh hưởng của sự giới hạn không gian đến các đặc tính vật lý của hệ là cần thiết để hiểu rõ hơn về các hiện tượng lượng tử trong các điều kiện thực nghiệm. Các kết quả cho thấy rằng sức căng mặt phân cách và hiện tượng chuyển pha ướt có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự giới hạn không gian.
3.1. Trạng thái cơ bản của hệ BECs bị giới hạn
Trạng thái cơ bản của hệ BEC bị giới hạn được xác định thông qua việc giải GPE trong các điều kiện biên khác nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trạng thái cơ bản có thể thay đổi tùy thuộc vào cường độ tương tác giữa các thành phần và điều kiện biên. Việc xác định trạng thái cơ bản là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý trong hệ BEC bị giới hạn, bao gồm sức căng mặt phân cách và hiện tượng chuyển pha ướt.
