非線性物理中怪波特性和物理機制以及相關問題研究

《非線性物理中怪波特性和物理機制以及相關問題研究》是依託西北大學，由楊戰營擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非線性物理中怪波特性和物理機制以及相關問題研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊戰營
• 依託單位：西北大學

項目摘要

怪波是海域中振幅極大且來無蹤去無影的奇異水波，由於怪波對人類航海安全造成巨大的危害，研究怪波現象生成和演化的物理機制已是科學家普遍關注的熱點問題之一。本課題立足於已有的實驗事實和理論模型，藉助實驗上易操作的非線性物理系統，對於多種非線性可積和準可積物理系統，求解怪波解的解析形式，探究不同物理系統中怪波現象產生的物理機制，討論怪波與孤子、呼吸子之間的相變問題，驗證暗怪波在單分量非線性方程中的存在，同時將處理高階效應下怪波現象的產生和演化的物理機制。進一步，我們求解複雜的多組分耦合系統中的怪波解，並利用解析結果討論多怪波的碰撞以及怪波與其他非線性波（孤子、呼吸子）相互作用的性質，設計激發光怪波的非線性光學系統，分析各個實驗參數、因素以及實際物理效應對怪波現象物理機制的影響，從而建立一套有效的分析和解釋怪波現象方法，充分認識怪波的物理本質和特性，達到避免和甚至利用怪波的目的。

結題摘要

項目組成員在非線性物理中的孤子解、呼吸子和怪波解等國際前沿課題方面，緊緊抓住整體性、非微擾性和可積性這條主線索，形成了非線性研究的鮮明特色。利用Darboux 變換、線性穩定性分析、漸進分析等方法研究非線性系統中基本非線性激髮結構的動力學特徵、不同非線性激發之間的態轉換關係、基本非線性波的產生機制和激發條件以及非線性波在不同物理系統中的套用。我們分別給出了麥克斯韋-布洛赫方程、Hirota方程統一的解析解發現多峰孤子、周期波和W形孤子鏈等獨特的非線性波結構，並討論了怪波、呼吸子和孤子以及孤子之間的態轉換特徵。其次，通過調製不穩定性解釋了不同局域波的產生機制，給出了調製不穩定性與局域波激發的對應關係，並建立了超常規激發模式的初始增長率和線性穩定性之間的精確關係。最後把非線性波研究的相關結果套用於具體的物理系統，在海森堡鐵磁鏈系統中得到了不同結構的呼吸子、怪波和孤子激發，並給出了其對應磁矩分布，在具有自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚系統中得到了三種新奇的量子態(項鍊態、穩流態和渦旋)，並給出了這三種量子態之間的轉換關係。這些結果將為深入探究物理機制打下了堅實的基礎，為相關係統中的數值模擬研究提供了可靠的測試工具，並可以用來指導相關的實驗觀測。 其相關的成果都已發表在國內外具有較大影響的 Phys. Rev. E、Chaos、J. Opt. Soc. Am. B 等學術刊物上，發表SCI學術論文20篇。其中Commun. Theor. Phys., 67, 520 (2017) 被評為 Communications in Theoretical Physics 2017年度亮點文章。課題組成員項目組成員進行廣泛的學術交流，46人次參加國際國內學術會議，17人次學術報告，5人次海報展示；15人次參加暑期研討班，1人受邀講授課程“非線性物理系統中孤子與怪波”。培養碩士研究生5名，培養博士生3名，培養2名青年教師成為科研骨幹，1人入選陝西省中青年科技創新領軍人才。