“启真杯”浙江大学2016年度学生十大学术新成果获奖者:李河虬

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【获奖成果】

   对二维系统的玻色-爱因斯坦凝聚的研究

【完成人介绍】

  该成果由美国David C. Johnston教授带领三名浙大本科生共同完成。申报人李河虬以及团队成员郭秋江、蒋骥均为2012级物理系本科生。

【成果简介】

 在物理学研究中,玻色子是自旋为整数的粒子,在低温情况下产生凝聚态,称为玻色-爱因斯坦凝聚。在三维体系中这种现象已经被实验所证实,而对于二维体系,主流结论认为不存在这种状态。由于理论上采用的是积分近似求和的方式得到的结果,而当研究团队考虑能级的离散性时,会不会得出不一样的结论呢?该课题就是围绕这个问题进行研究和讨论。

【科研故事】


走进二维系统的研究世界 起于偶然渐入佳境

 这个研究课题的产生对我来说存在着一定的偶然性。我所做的就是在机会来临的时候伸手握住了它,而且是用尽全身力气握紧了它。

 2015年5月份,David Johnston教授应邀来浙江大学给我所在班级进行为期两周的讲座课。满头白发的Johnston教授已有70岁,但仍然精力充沛,看不出衰老的迹象。他讲课也生动有趣,课堂上也经常留下一些思考题让我们回去考虑。有一次的思考题似乎与众不同,他不再只是将题目放在课件里让我们看,而是单独将问题打印在了纸上发给全班同学,让我们课后回去思考。那问题是关于物理中一种熟知的现象,叫做玻色-爱因斯坦凝聚。而问题中的一个词引起了我的注意:二维系统。按照物理学中的系综理论,在无相互作用的自由情况下,玻色-爱因斯坦凝聚似乎不应该能发生在二维系统中,而只能发生在三维系统中。这是因为有一个多重积分式在二维下是发散的而在三维下是收敛的。而现在Johnston教授却认为在该情况下二维系统其实也可以发生玻色-爱因斯坦凝聚,因为以前人们的那种推论忽略了一个事实:能级的离散性。我觉得Johnston教授的观点也有一定道理,做了相应的计算以后我与几个同学在最后一节课后找他讨论。教授对我的理解也比较满意,在离开前对我说:“Send me an email. Keep in touch.” 就这样,在教授即将返回美国的时候,这个研究课题开始了。

 之后与教授的联系都是通过电子邮件进行的。为了证明我们的推论,我们需要对各种物理量进行计算并与预测中的结果进行比较,如果与预期不符则需要做进一步更细致的研究。由此为了解决一个问题可能引出更多新的问题。最开始我们只是想计算产生玻色-爱因斯坦凝聚的临界温度来证明二维系统确实能发生凝聚,再辅以对系统的压强和比热容等参数的计算证明相变的存在。而后来却发现算得的压强和比热容有出乎意料的特征,相变其实并不存在,我们又将注意力转向压强和比热容,检测这是我们计算的错误还是新的物理现象。通过逐步深入的研究,我们竟发现这是由于一个在物理学中广为使用的理论——巨正则系综理论的不精确之处而导致的。在这个逐步深入的过程中由于新问题的出现和解决,我们的论文的长度也从最开始的6页增长到了最后的20多页。那段时间我每天都守着电子邮件等待新的消息,收到教授的回复后又继续投入工作。我感到在研究中导师的作用并不是研究工作的具体实施,而是提出新问题把握研究的方向。导师的观点出现错误也是常有的事,而学生作为研究的具体实施者则需要有清晰的概念和明确的判定标准,这样才能让研究走上正确的方向。


 

(文:李河虬 图片设计:杨瑜盼)
 



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