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凝聚态物理 > 量子气体

arXiv:2501.00893v1 (cond-mat)
[提交于 2025年1月1日 ]

标题: 超流体玻色气体的声子激发是否是戈德斯通玻色子?

标题: Is a phonon excitation of a superfluid Bose gas a Goldstone boson?

Authors:Maksim Tomchenko
摘要: 人们普遍认为,超流体玻色气体中的声子是戈德斯通玻色子。 这是由自发对称性破缺(SSB)所解释的,通常定义如下:系统的哈密顿量在$U(1)$变换$\hat{\Psi}(\mathbf{r},t)\rightarrow e^{i\alpha}% \hat{\Psi}(\mathbf{r},t)$下保持不变,而序参量$\Psi(\mathbf{r},t)$不保持不变。 然而,SSB 的严格定义有所不同:哈密顿量和边界条件在对称变换下保持不变,而\emph{基态}不保持不变。 基于后一种标准,我们使用三种方法研究了无自旋、弱相互作用的玻色子有限系统:标准的博戈留波夫方法、粒子数守恒的博戈留波夫方法以及基于精确基态波函数的方法。 我们的结果表明,标题中的问题的答案是\textquotedblleft no\textquotedblright 。 因此,现实世界(有限)的超流体玻色气体中的声子类似于经典气体中的声波:它们不是戈德斯通玻色子,而是由原子间相互作用产生的量子化集体振动模式。 然而,在无限玻色气体的情况下,情况变得矛盾:基态可以被视为无限简并或非简并,使得声子既类似于戈德斯通玻色子,又与之不同。
摘要: It is generally accepted that phonons in a superfluid Bose gas are Goldstone bosons. This is justified by spontaneous symmetry breaking (SSB), which is usually defined as follows: the Hamiltonian of the system is invariant under the $U(1)$ transformation $\hat{\Psi}(\mathbf{r},t)\rightarrow e^{i\alpha}% \hat{\Psi}(\mathbf{r},t)$, whereas the order parameter $\Psi(\mathbf{r},t)$ is not. However, the strict definition of SSB is different: the Hamiltonian and the boundary conditions are invariant under a symmetry transformation, while the \emph{ground state} is not. Based on the latter criterion, we study a finite system of spinless, weakly interacting bosons using three approaches: the standard Bogoliubov method, the particle-number-conserving Bogoliubov method, and the approach based on the exact ground-state wave function. Our results show that the answer to the question in the title is \textquotedblleft no\textquotedblright. Thus, phonons in a real-world (finite) superfluid Bose gas are similar to sound in a classical gas: they are not Goldstone bosons, but quantised collective vibrational modes arising from the interaction between atoms. In the case of an infinite Bose gas, however, the picture becomes paradoxical: the ground state can be regarded as either infinitely degenerate or non-degenerate, making the phonon both similar to a Goldstone boson and different from it.
评论: 22页
主题: 量子气体 (cond-mat.quant-gas) ; 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2501.00893 [cond-mat.quant-gas]
  (或者 arXiv:2501.00893v1 [cond-mat.quant-gas] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00893
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Maksim Tomchenko [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 1 月 1 日 16:47:18 UTC (24 KB)
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