自旋与手征动力学的输运模拟研究

自旋相关的物理是多个研究领域的热门课题。核子和夸克都是自旋为1/2的费米子,在非对心重离子碰撞中受到自旋-轨道相互作用以及磁场的影响,会产生有趣的自旋动力学,特别是在垂直于反应平面方向上会出现自旋极化。在相对论重离子碰撞中,由于产生了极端的高温高密环境,夸克可以近似看作无质量粒子,此时自旋动力学过渡为手征动力学。在外界电磁场、涡旋场作用下以及在电荷与手征荷不对称的条件下,会产生一系列手征反常效应。本文介绍我们课题组基于输运模拟在自旋与手征动力学方面开展的一系列研究工作,包括中能重离子碰撞及相对论重离子碰撞中粒子的自旋极化、理想体系及相对论重离子碰撞中的手征磁波等。     

费米子的相对论自旋输运理论

在重离子碰撞中,自旋轨道耦合可以导致整体极化现象.自从2017年,STAR工作中发现超子Λ在Au+Au碰撞中的整体极化,整体极化效应引起了学术界的广泛关注.整体极化效应的微观产生机制可以利用粒子之间非定域的散射过程来描述：在重离子碰撞中产生了热密物质,热密物质中的粒子之间通过非定域的碰撞过程实现了轨道角动量向自旋角动量的转换,从而导致散射后的粒子自旋极化.为了描述这一微观过程,在相空间描述自旋轨道耦合更加方便,而自旋轨道耦合又是一种量子效应,所以基于协变维格纳函数的量子动理学理论将是描述整体极化现象的有力工具.本文介绍了基于维格纳函数的量子动理学理论以及自旋输运理论.近期自旋输运理论的发展为以后数值模拟自旋极化现象的时空演化提供了理论基础.     

强相互作用自旋-轨道耦合与夸克-胶子等离子体整体极化

在非对心相对论重离子碰撞中,参与反应的原子核物质系统具有巨大的初始轨道角动量,经过强相互作用的自旋-轨道耦合,这一巨大的轨道角动量可以转化为产生的夸克-胶子等离子体的整体极化.整体极化效应在理论上提出后,首先被美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的STAR实验所证实,激发了人们对相关问题的研究,成为重离子碰撞物理研究的一个新方向——重离子碰撞自旋物理.本文简单回顾了整体极化原始基本思想、理论计算体系与主要结果以及近几年的理论进展.     

重离子碰撞中的矢量介子自旋排列

在非对心相对论重离子碰撞中,参与反应的系统具有巨大的轨道角动量,从而使产生的夸克胶子等离子体具有极强涡旋场,并通过自旋-轨道相互作用导致部分子的自旋极化,经过强子化导致重子的自旋极化以及矢量介子的自旋排列等可观测效应.矢量介子的自旋排列是指其自旋密度矩阵的00元素ρ00偏离1/3.在矢量介子衰变到两个赝标介子的过程中,衰变产物的极角分布只与ρ00有关,以此可以对自旋排列进行测量.理论研究表明,重离子碰撞过程中,重子的自旋极化反映了夸克自旋极化的时空平均效应,而矢量介子自旋排列则反映了夸克反夸克自旋极化的局域相空间关联.本文回顾了相对论重离子碰撞中矢量介子自旋排列的相关理论工作.重点以非相对论夸克融合模型为例,明确地计入夸克极化的相空间依赖性,展示了矢量介子自旋排列与夸克反夸克自旋极化特别是它们之间相空间关联的关系.本文还讨论了涡旋、电磁场、有效φ介子场以及它们的局域涨落对φ介子自旋排列的贡献,结果显示强作用场的时空关联效应是导致φ介子自旋排列的主要因素.矢量介子自旋排列为探索强相互作用物质和强相互作用场的性质提供了新途径.     

强磁场与涡旋场中的夸克胶子物质

相对论重离子碰撞可以产生高温的夸克胶子物质,同时也产生极强的电磁场和流体涡旋。在强电磁场和涡旋场中的夸克胶子物质呈现出新奇的宏观量子现象,比如手征磁效应、手征涡效应、手征分离效应、手征电分离效应、自旋极化现象等。它们一方面给我们提供了可以探测高温下量子色动力学的非平庸规范场拓扑结构、强相互作用的宇称破坏、夸克胶子物质中的自旋动力学等的实验手段,另一方面也与物理学其他分支,比如粒子物理、凝聚态物理、天体物理、冷原子物理等发生紧密联系,形成新的交叉研究领域。本文旨在对这些宏观量子现象的产生机制以及它们在相对论重离子碰撞中的探测等做一回顾和展望。特别地,我们揭示出重离子碰撞的磁场强度可以达到$10^{18}\sim 10^{20}$ G,流体涡旋可以达到$10^{22}$ s–1;这是我们已知当前宇宙中最强的磁场和流体涡旋。我们定量地对同量素碰撞实验做了分析,发现即便背景比例达到93%以上,当前的同量素碰撞实验仍然可在大约$3\sigma$的显著性水平上判断是否有手征磁效应的发生。我们系统地给出了满足因果律的自旋流体力学方程,并推导了其中的集体激发模式,这将有助于理解超子自旋极化中出现的符号问题。     

RHIC能区Au+Au碰撞中带电粒子直接流与超子整体极化的计算与分析

非对心的相对论重离子碰撞中,不参与碰撞的核子会对参与碰撞的核子产生纵向拖拽,形成一个相对于纵向倾斜的夸克胶子等离子体(QGP)火球.同时,对撞的原子核可将巨大的轨道角动量沉积于QGP中,使其中的部分子沿系统总角动量方向发生自旋极化.在光学Glauber模型基础上,本文构建了倾斜的三维QGP初态条件,并结合3+1维黏滞流体力学模型CLVisc,研究了重离子碰撞的末态带电粒子的直接流和Λ/■超子的整体极化.计算表明,倾斜的初态条件与流体力学模型的结合能够较好地描述RHIC-STAR实验上观测到的直接流与超子整体自旋极化的数据.这为人们利用这些观测量进一步约束重离子碰撞产生的核物质的初始几何与运动学状态提供了理论依据.     

夸克物质中的超子整体极化与矢量介子自旋排列

相对论重离子对撞机RHIC上超子整体极化和矢量介子自旋排列的实验发现证实了近20年前提出的理论.该理论预言和实验测量开辟了一种从自旋这个新的自由度来研究高能重离子碰撞中产生的高温高密核物质特性的新途径.本文简略回顾了整体极化理论提出和实验发现,总结了现有大科学装置上的相关测量进展,以及国际上现有的多种理论解释.同时,简要介绍了STAR探测器近期升级所带来的物理机遇.     

理想磁流体力学中的相对论性Kelvin圈积分定理

探讨了理想磁流体力学中的相对论性Kelvin圈积分定理。相对论性Kelvin圈积分定理是指温度涡旋在圈积分下是一个守恒量。首先简略的回顾了相对论重离子碰撞中的理想磁流体力学相关结果。本文的核心是推导出理想磁流体力学中的相对论性Kelvin圈积分定理的表达形式。同时,也将已知的理想磁流体力学的解析解运用到该定理上。这一主要结果也可以运用到相对论重离子碰撞中磁流体力学的研究中。     

质子-核弹性散射的相对论微观光学势分析

本文用基于Walecka模型得到的相对论微观光学势^[1]系统地分析了300MeV以下质子-核的弹性散射实验数据,包括微分截面,分辨本领和自旋转动函数.理论计算结果与实验数据很好地符合,在θ<70°范围内较好地符合实验微分截面,并且能给出自旋有关量的细致结构.结果表明这种简单的模型给出的相对论微观光学势适用于各种靶、E<300MeV的很大能量范围内的核子弹性散射.它可以推广用于核输运理论以及重离子反应中同时考虑核介质与相对论效应.     

重离子碰撞两体关联输运理论Ⅲ.半经典近似下的数值计算

为了验证由相干单粒子波函数和两体关联动力学所建立的非相对论条件下的重离子碰撞两体关联输运理论的有效性,利用没有碰撞项的量子分子动力学,即时间相关的Hartree-Fock方法的经典近似,实现了两体关联输运理论在半经典近似下的数值计算.计算结果表明:这种两体关联输运理论的确能够有效地描述重离子碰撞过程中的输运和耗散过程.     

量子气体中的输运行为

输运测量是了解物质性质的一个重要手段.本文简单介绍最近在量子气体中实现的输运实验及其主要结论,包括在类似于介观物理器件中的Landauer输运和强相互作用费米气体中的自旋输运行为.我们着重讨论自旋动力学的特殊性以及其由于全同粒子相互作用所导致的特殊自旋扩散流的形式.     

重离子碰撞两体关联输运理论──Ⅰ.理论模型:相干态表象的构造与基本运动方程

应用相干态表象和两体关联动力学,建立了非相对论重离子碰撞两体关联输运理论TBCTT(Two—Body Correlation Transport Theory).这一理论包括了时间相关的平均场.泡利阻塞和两体碰撞效应,它能够描述重离子碰撞过程中非均匀核物质的演化、涨落效应和碎裂的动力学形成.     

磁性纳米电机单电子晶体管的自旋输运特性

文章作者在研究磁性隧道结的自旋输运中引入量子点的机械振动自由度,将单电子隧穿和振动自由度耦合所导致的shuttle输运理论应用到自旋电子学中,研究结果表明,shuttle输运对自旋极化输运有很大的影响,其独特的输运性质可以用来设计自旋电子器件,文章在理论上提出具有巨磁效应的自旋阀、高性能的半导体自旋注入器以及电流的整流器.     

铁磁/有机半导体/铁磁系统的电流自旋极化性质研究

根据有机半导体中的电流自旋极化注入和输运实验现象，理论上研究了铁磁/有机半导体/铁磁系统的电流自旋极化性质.考虑到有机半导体的具体特性，从自旋扩散理论和欧姆定律出发，得到了系统的电流自旋极化率.假设自旋极化子和不带自旋的双极化子为有机半导体中的载流子.通过计算发现，极化子为实现有机半导体中电流极化注入和输运的有效自旋载流子，即使它只占总载流子很少一部分.还进一步研究了自旋相关界面电阻和电导率匹配以及有机半导体长度等因素对系统电流自旋极化的影响. 关键词： 自旋电子学 自旋注入 有机半导体 极化子     

类氢铀离子的辐射电子俘获角分布研究

分析了在重离子冷却储存环上测量的辐射电子俘获产生的X射线能谱,得出了K REC光子的相对微分角分布,通过与非相对论理论和全相对论理论的计算结果进行比较,从实验上证明了相对论重离子 原子碰撞中自旋翻转跃迁的存在,实验结果与全相对论理论计算结果一致.同时还证实,重离子体系本身的相对论性质对碰撞过程有重要影响. Radiative electron capture process occurring in high-Z ion-atom collisions studied on the heavy ion storage ring (ERS) is reviewed. The REC differential angular distributions are deduced from the X-ray spectra recorded at various observation angles for 310 and 88 MeV/u U 92+on N 2collisions, respectively. The experimental results are compared with non-relativistic and complete relativistic calculations. Deviations from sin 2θ lab are found in both cases. The contributions to near 0°observation...     

低维纳米材料量子热输运与自旋热电性质 ——非平衡格林函数方法的应用

低维材料不断涌现的新奇性质吸引着科学研究者的目光. 除了电子的量子输运行为之外, 人们也陆续发现和确认了热输运中显著的量子行为, 如 热导低温量子化、声子子带、尺寸效应、瓶颈效应等. 这些小尺度体系的热输运性质可以很好地用非平衡格林函数来描述. 本文首先介绍了量子热输运的特性、声子非平衡格林函数方法及其在低维纳米材料中的研究进展; 其次回顾了近年来在 一系列低维材料中发现的热-自旋输运现象. 这些自旋热学现象展现了全新的热电转换机制, 有助于设计新型的热电转换器件, 同时也给出了用热产生自旋流的新途径; 最后介绍了线性响应理论以及在此理论框架下结合声子、电子非平衡格林函数方法进行的一些有益的探索. 量子热输运的研究对热效应基础研究以及声子学器件、能量转换器件的发展有着不可替代的重要作用.     

相对论重离子碰撞中的软探针和硬探针

简要回顾了高能核碰撞中夸克胶子等离子体的软探针和硬探针的一些最新进展,主要内容集中在相对论重离子对撞机和大型强子对撞机实验中各向异性集体流和喷注淬火的理论和唯象研究,对小系统中集体流的来源也做了简要的讨论。对于软探针,讨论了初态三维涨落和碰撞几何各向异性、相对论流体力学演化、末态各向异性集体流以及集体流的涨落、关联和纵向去关联等。通过与实验数据作系统的比较,可以探测重离子碰撞中夸克胶子等离子体的动力演化和各种输运性质。对于硬探针,集中讨论了部分子能量损失和喷注淬火对部分子味道的依赖性、重味夸克在夸克胶子等离子体中的强子化、整体喷注在核介质中的演化以及核介质对喷注的响应等。细致分析相关的观测量,可以帮助我们更全面地了解相对论核碰撞中喷注与核介质的相互作用以及重味粒子的生成。对于小系统,讨论初态和末态效应在解释小系统中轻强子和重味强子的集体流方面的贡献,这有助于我们理解大碰撞系统中集体流的起源成因。     

重离子碰撞两体关联输运理论Ⅱ.使用变分原理确定单粒子态的演化方程和反对称分子动力学

应用两体关联动力学和变分原理给出了非相对论重离子碰撞两体关联输运理论(TBCTT)方程组的另一种形式,用来讨论了费米分子动力学(FMD)和反对称化分子动力学(AMD).碰撞效应自然地出现在单粒子态的演化方程中.     

重离子碰撞两体关联输运理论──Ⅰ．理论模型：相干态表象的构造与基本运动方程

应用相干态表象和两体关联动力学，建立了非相对论重离子碰撞两体关联输运理论ＴＢＣＴＴ（Ｔｗｏ—ＢｏｄｙＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｐｏｒｔＴｈｅｏｒｙ）．这一理论包括了时间相关的平均场．泡利阻塞和两体碰撞效应，它能够描述重离子碰撞过程中非均匀核物质的演化、涨落效应和碎裂的动力学形成．     

中能重离子碰撞中的自旋效应(英文)

详细介绍并深化了在IBUU输运模型中引入核子的自旋轨道相互作用及其自旋自由度来研究重离子反应的工作。虽然自旋相关的平均场势中时间反演对称项与时间反演不对称项的贡献相反,但依然观察到体系存在局域自旋极化。发现最终的结果由时间反演不对称项决定,可以利用重离子碰撞中自旋向上核子与自旋向下核子的横向差分流来研究介质中自旋轨道相互作用的性质,包括其强度、密度依赖性和同位旋依赖性,而且即使在小体系下该差分流依然不失为自旋轨道相互作用的良好探针。