Gross-Pitaevskii-Poisson model for an ultracold plasma: Density waves and solitons

Modelo de Gross-Pitaevskii-Poisson para un plasma ultrafrío: Ondas de densidad y solitones

dc.contributorIsrael Science Foundation [1286/17]; JSPS KAKENHI [18K03462]; Grants-in-Aid for Scientific Research [18K03462] Funding Source: KAKEN
dc.creatorSakaguchi, Hidetsugu
dc.creatorMalomed, Boris A.
dc.date2023-04-18T01:48:54Z
dc.date2023-04-18T01:48:54Z
dc.date202+
dc.date.accessioned2023-09-27T20:18:19Z
dc.date.available2023-09-27T20:18:19Z
dc.identifierhttps://repositorio.uta.cl/xmlui/handle/20.500.14396/2362
dc.identifier2643-1564
dc.identifier10.1103/PhysRevResearch.2.033188
dc.identifierPM9YO
dc.identifierWOS:000604145300004
dc.identifier.urihttps://repositorioslatinoamericanos.uchile.cl/handle/2250/8942649
dc.descriptionWe introduce one- and two-dimensional (1D and 2D) models of a degenerate bosonic gas composed of ions carrying positive and negative charges (cations and anions), under the condition of the electroneutrality. The system may exist in the mean-field condensate state, enabling the competition of the Coulomb coupling, contact repulsion, and kinetic energy of the particles, provided that their effective mass is reduced by means of a lattice potential. The respective model combines the Gross-Pitaevskii (GP) equations for the two-component wave function of the cations and anions, coupled to the Poisson equation for the electrostatic potential mediating the Coulomb interaction. In addition to its direct introduction, the contact interaction in the GP system can be derived, in the Thomas-Fermi approximation, from a system of three GP equations, which includes the wave function of heavy neutral (buffer) atoms. In the system with fully repulsive contact interactions, we construct stable spatially periodic patterns (density waves, akin to ionic crystals). The transition to the density wave is identified by analysis of the modulational instability of a uniformly mixed neutral state. The density-wave pattern, which represents the system's ground state (GS), is accurately predicted by a variational approximation. In the 2D case, a stable pattern is produced too, with a quasi-1D shape. The 1D system with contact self-attraction in each component produces bright solitons of three types: neutral ones, with fully mixed components, dipoles, with the components separated by the interspecies contact repulsion, and quadrupoles, with a layer of one component sandwiched between side lobes formed by the other. The transition from the neutral solitons to dipoles is accurately modeled analytically. A chart of the GSs of the different types (neutral solitons, dipoles, or quadrupoles) is produced. Different soliton species do not coexist as stable states. Collisions between traveling solitons are studied too. Collisions are elastic for dipole-dipole pairs, while dipole-antidipole ones merge into stable quadrupoles via multiple collisions.
dc.descriptionPresentamos modelos unidimensionales y bidimensionales (1D y 2D) de un gas bosónico degenerado compuesto de iones con cargas positivas y negativas (cationes y aniones), bajo la condición de electroneutralidad. El sistema puede existir en el estado de condensado de campo medio, lo que permite la competencia del acoplamiento de Coulomb, la repulsión de contacto y la energía cinética de las partículas, siempre que su masa efectiva se reduzca por medio de un potencial de red. El modelo respectivo combina las ecuaciones de Gross-Pitaevskii (GP) para la función de onda de dos componentes de los cationes y aniones, junto con la ecuación de Poisson para el potencial electrostático que media la interacción de Coulomb. Además de su introducción directa, la interacción de contacto en el sistema GP se puede derivar, en la aproximación de Thomas-Fermi, a partir de un sistema de tres ecuaciones GP, que incluye la función de onda de los átomos neutros pesados (tampón). En el sistema con interacciones de contacto totalmente repulsivas, construimos patrones espacialmente periódicos estables (ondas de densidad, similares a cristales iónicos). La transición a la onda de densidad se identifica mediante el análisis de la inestabilidad modulacional de un estado neutro mezclado uniformemente. El patrón de onda de densidad, que representa el estado fundamental del sistema (GS), se predice con precisión mediante una aproximación variacional. En el caso 2D, también se produce un patrón estable, con una forma casi 1D. El sistema 1D con autoatracción por contacto en cada componente produce solitones brillantes de tres tipos: neutros, con componentes completamente mezclados, dipolos, con los componentes separados por la repulsión de contacto entre especies, y cuadrupolos, con una capa de un componente intercalada entre los lados. lóbulos formados por el otro. La transición de los solitones neutros a los dipolos se modela analíticamente con precisión. Se produce un gráfico de los GS de los diferentes tipos (solitones neutros, dipolos o cuadrupolos). Diferentes especies de solitones no coexisten como estados estables. También se estudian las colisiones entre solitones que viajan. Las colisiones son elásticas para los pares dipolo-dipolo, mientras que las de dipolo-antidipolo se fusionan en cuadrupolos estables a través de múltiples colisiones.
dc.formatapplication/pdf
dc.format11 páginas
dc.languageEnglish
dc.publisherAMER PHYSICAL SOC
dc.relationPhysical Review Research, vol.2 no.3 (2020)
dc.relationhttps://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033188
dc.rightsGreen Submitted, gold
dc.rightsAcceso abierto
dc.sourcePhysical Review Research
dc.subjectBose-Einstein Condensate
dc.subjectMany-Body Physics
dc.subjectDynamics
dc.subjectIon
dc.subjectCondensado de Bose-Einstein
dc.subjectFísica de Muchos Cuerpos
dc.subjectDinámica
dc.subjectIón
dc.titleGross-Pitaevskii-Poisson model for an ultracold plasma: Density waves and solitons
dc.titleModelo de Gross-Pitaevskii-Poisson para un plasma ultrafrío: Ondas de densidad y solitones
dc.typeArtículo de revista


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