中物院研究生院于小泉与奥塔哥大学P. B. Blakie合作在自旋-1超流体中的拓扑激发方面取得新进展。2022年3月24日，相关成果以 “Propagating Ferrodark Solitons in a Superfluid: Exact Solutions and Anomalous Dynamics”为题在线发表于Physical Review Letters。
超流体中有一类拓扑激发是和序参量的离散对称性（Z_2）破缺关联，比如说暗孤子或者畴壁就是这类激发。这类拓扑孤子的一个非常普遍的性质是它的激发能量随着传播速度的增大而减少，从而导致了它的惯性质量是负的。负的惯性质量会引起两个显著的物理结果：1）由于它的物理质量（衡量缺失的那部分粒子的质量）也是负的，在简谐势场囚禁的超流体中它的运动和单粒子的运动定性上是类似的，也就是做简谐运动；2）会有所谓的蛇形不稳定性（snake instability）。这个不稳定性导致了它在二维及以上空间对横向长波扰动不稳定。由于 2）的存在， 研究拓扑孤子在高维空间的动力学受到很强的限制。在这个工作中，作者在自旋-1的超流体中找到了一种物理质量为负而惯性质量为正的新型拓扑暗孤子, 命名为铁磁暗孤子（Ferrodark soliton）。这个暗孤子呈现为磁化强度的Ising 型磁畴壁。在该孤子核处磁化强度为零，但超流密度不为零。这个孤子有如下新颖的性质：a) 物理质量为负而惯性质量为正；b) 它的最大传播速度不是由“声速”给出，而是由一个全新的速度速度极限给出。这个速度极限在某些参数范围内可以比该超流体的“声速”大；c) 这个孤子有一个相伴的孤子，这个伴随孤子具有负的物理质量和负的惯性质量以及更高的激发能量，在极限速度时，这两类孤子变得完全一样。由于这个性质，当整个流体处于一个外势下，孤子在达到最大速度时会发生类型的转变。 这导致了一个有趣的现象：在线性势场中的振荡（见图）；d) 相关结果给出了在超流体中的一类新的严格孤子解。
图 铁磁暗孤子在线性势场的振荡。
上述工作是作者在21年工作【Phys. Rev. Research 3, 023043（2021）】的基础上的拓展和延伸。 未来仍然有很多有趣的问题值得持续探索。上述工作得到了国家自然科学基金(NSFC)的支持。
全文详见：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.125301