在Rashba自旋-軌道耦合，玻色-愛因斯坦凝聚模拟中發現的自旋微乳相。彩色區域對應于具有相同自旋狀态的原子密集區域。來源:Ethan McGarrigle (doi: 10.1103/PhysRevLett.131.173403)

在一項新的研究中，來自加州大學聖巴巴拉分校(UCSB)的研究人員報告說，他們在自旋玻色-愛因斯坦凝聚體的二維系統中發現了一種自旋微乳液，揭示了一種以超流動性喪失、複雜的僞自旋織體和拓撲缺陷的出現為标志的新型相變。

玻色-愛因斯坦(B-E)凝聚态是一種發生在極低溫度下的物質狀态，在這種狀态下，玻色子，如光子，變得難以區分，表現為單個量子實體，形成超流體或超導狀态。

B-E凝聚體可以表現出獨特的量子特性，如自旋微乳液。當B-E凝聚體中原子的内部自旋狀态與其運動相耦合時，就會出現一種稱為自旋微乳液的獨特相。

這一階段涉及原子根據其自旋狀态将自己組織成模式，類似于軟物質系統中微乳液的形成。

微乳劑與自旋軌道耦合

微乳液的概念并不新鮮;它們通常存在于合成軟物質系統中。當兩種不相容的物質(如油和水)形成富集區域時，第三種少數成分(如表面活性劑)穩定它們的界面，就會出現這些相。

然而，自旋微乳劑在量子實體領域的出現從未見過。

該研究的主要作者、UCSB化學工程系的博士候選人Ethan McGarrigle對Phys.org說:“量子微乳液模拟相已經在理論上存在于二維電子系統中，在那裡會出現類似微乳液的相關電荷域;然而，它從來沒有被觀察到，也沒有得到數值或實驗證據的證明。”

研究人員采用先進的場理論模拟(FTS)研究了具有超固體特征的低溫條紋相的轉變。

随着溫度的升高，這種條紋相轉變為研究人員所說的自旋微乳液。條紋相是B-E凝聚體中原子的一種特殊構型，它們在那裡形成條紋圖案。

在自旋微乳階段，原子基于其内部自旋狀态自組織，類似于軟物質系統中微乳的形成。

首席研究員、UCSB化學工程與材料特聘教授Glenn Fredrickson博士解釋說:“當每個原子的運動與其内部自旋狀态耦合時，這種微乳液相就會發生，進而産生自旋-軌道耦合效應。”

這種現象的關鍵是各向同性二維Rashba自旋-軌道耦合，即原子自旋與運動之間的互相作用。

弗雷德裡克森博士繼續說:“在B-E凝聚體中，原子在特定的、優選的動量下集體最小化它們的能量。是以，自旋軌道耦合的B-E凝聚系統可以擁有駐波條紋超流體狀态，這被認為具有超固體特征，并被描述為超流體液晶模拟。

把它想象成凝聚物中原子的一種模式或波狀排列。這種狀态是獨特的，因為它結合了超流體和晶體的特征，這種現象被稱為超固體。就好像原子的行為像波一樣，以一種有結構的方式排列。

Kosterlitz-Thouless轉換和未來的工作

在他們的研究中，研究人員在不同溫度下模拟了這種條紋超流體狀态，進而在臨界溫度以上發現了自旋微乳液。

Fredrickson博士解釋說:“McGarrigle将FTS方法應用于自旋軌道耦合玻色-愛因斯坦凝聚體，并通過計算發現，之前已知的自旋條紋(超固體)相在加熱成自旋微乳後融化，然後轉化為正常流體。”

“研究結果表明，自旋微乳液與室溫油/水/表面活性劑混合物中的雙連續微乳液具有定性相似性。”

此外，他們的研究結果表明，超流體條紋液晶模拟物的熱相變或熔化與在經典液晶膜和平面磁體中觀察到的公認的Kosterlitz-Thouless相變有相似之處。

在Kosterlitz-Thouless躍遷中，當渦旋-反渦旋對(拓撲缺陷)變為非束縛時，二維系統從一個相轉移到另一個相。這将導緻系統的順序或行為發生變化。

這種類比為了解二維Rashba自旋軌道耦合玻色子系統的行為提供了見解。

量子自旋微乳液的發現揭示了一種新的相變，其特征是超流動性的喪失、複雜的僞自旋織構和拓撲缺陷的出現。這一發現的意義深入到量子實體和軟物質系統的領域。

然而，許多問題仍然存在。以全渦、半渦、僞自旋疇壁和僞自旋天幕為特征的條紋超流相在系統中的熔融機制是未來研究的一個重要挑戰。

談到Fredrickson小組未來的研究計劃，McGarrigle說:“我們計劃研究自旋微乳液的熱力學穩定性，涉及各種系統參數，如自旋-軌道耦合各向異性，不同赝自旋狀态下原子的混溶性，以及赝自旋極化。”

“雖然我們最初的工作探索了非混相條件和各向同性Rashba自旋軌道耦合，但我們計劃将我們的數值分析擴充到更廣泛的條件。我們将研究自旋-軌道耦合方案中的各向異性耐受性，自旋微乳液在混相條件下的存在，以及它對不均勻僞自旋态居群的響應。這項研究将指導實驗者實作這一階段，”他總結道。

這項研究的結果發表在《實體評論快報》上。

更多資訊:Ethan C. McGarrigle等，自旋-軌道耦合玻色-愛因斯坦凝聚體中自旋微乳液的出現，實體評論通訊(2023)。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.173403。

期刊資訊:Physical Review Letters