从超固体到微乳液探索自旋轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚态

在一项新的研究中，加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的研究人员报告了在自旋玻色-爱因斯坦凝聚的二维系统中发现了自旋微乳液，揭示了一种新的相变，其特征是失去超流性、复杂的赝自旋纹理以及拓扑缺陷的出现。

玻色-爱因斯坦(BE)凝聚体是一种在极低温度下发生的物质状态，其中玻色子(例如光子)变得难以区分并表现为单个量子实体，形成超流体或超导状态。

BE凝聚体可以表现出独特的量子特性，例如自旋微乳液。当BE凝聚体中原子的内部自旋态与其运动耦合时，就会出现一种称为自旋微乳液的独特相。

这一阶段涉及原子根据其自旋状态将自身组织成模式，类似于软物质系统中微乳液的形成方式。

微乳液和自旋轨道耦合

微乳液的概念并不新鲜。它们通常存在于合成软物质系统中。当两种不混溶的物质(如油和水)形成富集域，而第三种少数成分(如表面活性剂)稳定其界面时，就会出现这些相。

然而，在量子物理领域中从未见过自旋微乳液的出现。

EthanMcGarrigle，主要作者、博士。加州大学圣巴巴拉分校化学工程系的候选人对Phys.org表示：“理论上，二维电子系统中存在量子微乳液模拟相，其中会出现类似微乳液的相关电荷域;然而，它从未被观察到或从未被观察到。”由数字或实验证据证实。”

研究人员采用先进的场论模拟(FTS)来研究具有超固体特性的低温条带相的转变。

随着温度升高，这种条纹相转变为研究人员所说的自旋微乳液。条纹相是BE凝聚体中原子的特定构型，它们在其中形成条纹图案。

在自旋微乳液相中，原子根据其内部自旋状态进行自组织，类似于软物质系统中微乳液的形成。

加州大学圣巴巴拉分校化学工程与材料学首席研究员兼杰出教授GlennFredrickson博士解释说：“当每个原子的运动与其内部自旋状态耦合时，就会出现这种微乳液相，从而产生自旋轨道耦合效应。”

这种现象的关键因素是各向同性二维Rashba自旋轨道耦合，即原子自旋与其运动之间的相互作用。

Fredrickson博士继续说道：“在BE凝聚体中，原子在特定的首选动量下集体最小化其能量。因此，自旋轨道耦合BE凝聚体系统可以呈现驻波条纹超流体状态，这被认为具有超固体特征并被描述为超流体液晶类似物。”

将其想象为凝聚态中原子的图案或波状排列。这种状态是独特的，因为它结合了超流体和晶体的特征，这种现象被称为超固体。就好像原子的行为就像波一样，以结构化的方式排列。

科斯特利茨-托勒斯的转变和未来的工作

在他们的研究中，研究人员在不同温度下模拟了这种条纹超流体状态，从而发现了高于临界温度的自旋微乳液。

Fredrickson博士解释说：“McGarrigle将FTS方法应用于自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体，并通过计算发现，先前已知的自旋条纹(超固体)相在加热后会熔化成自旋微乳液，然后转变成正常流体。”

“研究结果表明，旋转微乳液与室温油/水/表面活性剂混合物中发现的双连续微乳液具有质量相似性。”

此外，他们的研究结果表明，超流条状液晶类似物的热相变或熔化与在经典液晶薄膜和平面磁体中观察到的成熟的科斯特利茨-索利斯转变具有相似之处。

在科斯特利茨-索利斯相变中，当作为拓扑缺陷的涡旋-反涡旋对变得不受束缚时，二维系统中从一个相到另一个相的转变就会发生。这会导致系统的顺序或行为发生变化。

这个类比为理解Rashba自旋轨道耦合玻色子的二维系统的行为提供了见解。

量子自旋微乳液的发现阐明了一种新的相变，其特征是超流性的丧失、复杂的赝自旋结构和拓扑缺陷的出现。这一发现的影响深入到量子物理和软物质系统领域。

然而，仍然存在许多问题。条纹超流相在系统中熔化的精确机制，以全涡流、半涡流、赝自旋畴壁和赝自旋斯格明子为特征，对未来的研究提出了引人注目的挑战。

在谈到Fredrickson小组未来的研究计划时，McGarrigle说：“我们计划研究自旋微乳液在各种系统参数方面的热力学稳定性，例如自旋轨道耦合各向异性、不同赝自旋状态下原子的混溶性以及赝自旋极化。”

“虽然我们最初的工作探索了不混溶条件和各向同性Rashba自旋轨道耦合，但我们计划将数值分析扩展到更广泛的条件。我们将研究自旋轨道耦合方案中的各向异性耐受性、自旋微乳液在混溶条件下的存在，以及“它对不均匀赝自旋态总体的响应。这项研究将指导实验学家实现这一阶段，”他总结道。