在Rashba自旋-轨道耦合，玻色-爱因斯坦凝聚模拟中发现的自旋微乳相。彩色区域对应于具有相同自旋状态的原子密集区域。来源:Ethan McGarrigle (doi: 10.1103/PhysRevLett.131.173403)

在一项新的研究中，来自加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的研究人员报告说，他们在自旋玻色-爱因斯坦凝聚体的二维系统中发现了一种自旋微乳液，揭示了一种以超流动性丧失、复杂的伪自旋织体和拓扑缺陷的出现为标志的新型相变。

玻色-爱因斯坦(B-E)凝聚态是一种发生在极低温度下的物质状态，在这种状态下，玻色子，如光子，变得难以区分，表现为单个量子实体，形成超流体或超导状态。

B-E凝聚体可以表现出独特的量子特性，如自旋微乳液。当B-E凝聚体中原子的内部自旋状态与其运动相耦合时，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己组织成模式，类似于软物质系统中微乳液的形成。

微乳剂与自旋轨道耦合

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。当两种不相容的物质(如油和水)形成富集区域时，第三种少数成分(如表面活性剂)稳定它们的界面，就会出现这些相。

然而，自旋微乳剂在量子物理领域的出现从未见过。

该研究的主要作者、UCSB化学工程系的博士候选人Ethan McGarrigle对Phys.org说:“量子微乳液模拟相已经在理论上存在于二维电子系统中，在那里会出现类似微乳液的相关电荷域;然而，它从来没有被观察到，也没有得到数值或实验证据的证实。”

研究人员采用先进的场理论模拟(FTS)研究了具有超固体特征的低温条纹相的转变。

随着温度的升高，这种条纹相转变为研究人员所说的自旋微乳液。条纹相是B-E凝聚体中原子的一种特殊构型，它们在那里形成条纹图案。

在自旋微乳阶段，原子基于其内部自旋状态自组织，类似于软物质系统中微乳的形成。

首席研究员、UCSB化学工程与材料特聘教授Glenn Fredrickson博士解释说:“当每个原子的运动与其内部自旋状态耦合时，这种微乳液相就会发生，从而产生自旋-轨道耦合效应。”

这种现象的关键是各向同性二维Rashba自旋-轨道耦合，即原子自旋与运动之间的相互作用。

弗雷德里克森博士继续说:“在B-E凝聚体中，原子在特定的、优选的动量下集体最小化它们的能量。因此，自旋轨道耦合的B-E凝聚系统可以拥有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模拟。

把它想象成凝聚物中原子的一种模式或波状排列。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。就好像原子的行为像波一样，以一种有结构的方式排列。

Kosterlitz-Thouless转换和未来的工作

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，从而在临界温度以上发现了自旋微乳液。

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，之前已知的自旋条纹(超固体)相在加热成自旋微乳后融化，然后转化为正常流体。”

“研究结果表明，自旋微乳液与室温油/水/表面活性剂混合物中的双连续微乳液具有定性相似性。”

此外，他们的研究结果表明，超流体条纹液晶模拟物的热相变或熔化与在经典液晶膜和平面磁体中观察到的公认的Kosterlitz-Thouless相变有相似之处。

在Kosterlitz-Thouless跃迁中，当涡旋-反涡旋对(拓扑缺陷)变为非束缚时，二维系统从一个相转移到另一个相。这将导致系统的顺序或行为发生变化。

这种类比为理解二维Rashba自旋轨道耦合玻色子系统的行为提供了见解。

量子自旋微乳液的发现揭示了一种新的相变，其特征是超流动性的丧失、复杂的伪自旋织构和拓扑缺陷的出现。这一发现的意义深入到量子物理和软物质系统的领域。

然而，许多问题仍然存在。以全涡、半涡、伪自旋畴壁和伪自旋天幕为特征的条纹超流相在系统中的熔融机制是未来研究的一个重要挑战。

谈到Fredrickson小组未来的研究计划，McGarrigle说:“我们计划研究自旋微乳液的热力学稳定性，涉及各种系统参数，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非混相条件和各向同性Rashba自旋轨道耦合，但我们计划将我们的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，自旋微乳液在混相条件下的存在，以及它对不均匀伪自旋态居群的响应。这项研究将指导实验者实现这一阶段，”他总结道。

这项研究的结果发表在《物理评论快报》上。

更多信息:Ethan C. McGarrigle等，自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中自旋微乳液的出现，物理评论通讯(2023)。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.173403。

期刊信息:Physical Review Letters