Появление спиновой микроэмульсии в бозе-эйнштейновских конденсатах со спин-орбитальной связью
В новом исследовании учёные из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) сообщили об открытии спиновой микроэмульсии в двумерных системах спинорных бозе-эйнштейновских конденсатов. Открытие проливает свет на новый фазовый переход, характеризующийся потерей сверхтекучесть, сложные псевдоспиновые текстуры и появление топологических дефектов. Было применено передовое теоретико-полевое моделирование (FTS) для исследования перехода низкотемпературной полосовой фазы со сверхтвердыми характеристиками. При повышении температуры фаза превращается в спиновую микроэмульсию. В фазе спиновой микроэмульсии атомы самоорганизуются на основе своих внутренних спиновых состояний, подобно образованию микроэмульсий в жидкостях. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Фаза спиновой микроэмульсии, обнаруженная при моделировании спин-орбитального конденсата Рашбы, бозе-эйнштейновского конденсата. Цветные области соответствуют плотным областям атомов с одинаковым спиновым состоянием.
Фото: Итан МакГарригл (doi: 10.1103/PhysRevLett.131.173403)
В новом исследовании исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) сообщили об открытии спиновой микроэмульсии в двумерных системах спинорных бозе-эйнштейновских конденсатов, проливая свет на новый фазовый переход, характеризующийся потерей сверхтекучесть, сложные псевдоспиновые текстуры и появление топологических дефектов.
Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭ) — это состояние вещества, возникающее при чрезвычайно низких температурах, при котором бозоны, такие как фотоны, становятся неразличимыми и ведут себя как единая квантовая сущность, образуя сверхтекучее или сверхпроводящее состояние.
Конденсаты БЭ могут проявлять уникальные квантовые свойства, такие как спиновая микроэмульсия. Когда внутренние спиновые состояния атомов в конденсате БЭ связаны с их движением, может возникнуть уникальная фаза, называемая спиновой микроэмульсией.
На этой фазе атомы организуются в структуры, основанные на их спиновых состояниях, подобно тому, как образуются микроэмульсии в системах мягкой материи.
Микроэмульсии и спин-орбитальное взаимодействие
Концепция микроэмульсий не нова; они обычно встречаются в синтетических системах мягкой материи. Эти фазы возникают, когда два несмешивающихся вещества (например, нефть и вода) образуют обогащенные домены, в то время как третий компонент меньшинства стабилизирует их границы раздела, как поверхностно-активное вещество.
Однако появление спиновой микроэмульсии в области квантовой физики никогда не наблюдалось.
Итан МакГарригл, ведущий автор и доктор философии. Кандидат кафедры химической инженерии UCSB рассказал Phys.org: «Предполагается, что квантовая аналоговая фаза микроэмульсии существует в двумерных электронных системах, где могут появиться подобные микроэмульсиям коррелированные домены заряда; однако это никогда не наблюдалось и не подтверждено численными или экспериментальными данными».
Исследователи применили передовое теоретико-полевое моделирование (FTS) для исследования перехода низкотемпературной полосовой фазы со сверхтвердыми характеристиками.
При повышении температуры эта полосовая фаза превращается в то, что исследователи называют спиновой микроэмульсией. Полосовая фаза представляет собой особую конфигурацию атомов в конденсате БЭ, где они образуют полосатый узор.
В фазе спиновой микроэмульсии атомы самоорганизуются на основе своих внутренних спиновых состояний, подобно образованию микроэмульсий в жидкостях.
Доктор Гленн Фредриксон, главный исследователь и заслуженный профессор химической инженерии и материалов в UCSB, пояснил: «Эта фаза микроэмульсии возникает, когда движение каждого атома связано с его внутренним спиновым состоянием, что приводит к эффекту спин-орбитального взаимодействия».
Ключевым игроком в этом явлении является изотропное двумерное спин-орбитальное взаимодействие Рашбы, которое представляет собой взаимодействие между спином атома и его движением.
Доктор Фредриксон продолжил: «В конденсатах BE атомы коллективно минимизируют свою энергию при определенных, предпочтительных импульсах. В результате спин-орбитальные конденсатные системы BE могут содержать сверхтекучее состояние полосы стоячей волны, которое, как утверждается, обладает сверхтвердым характером и описывается как сверхтекучий аналог жидкого кристалла».
Представьте себе это как узор или волнообразное расположение атомов внутри конденсата. Это состояние уникально, поскольку оно сочетает в себе характеристики сверхтекучести и кристалла — явление, известное как сверхтвердость. Как будто атомы ведут себя как волны, выстраиваясь структурированным образом.
Переходы Костерлица – Таулеса и будущая работа
В своем исследовании ученые смоделировали это полосовое сверхтекучее состояние при различных температурах, что привело к открытию спиновой микроэмульсии при температуре выше критической.
Доктор Фредриксон объяснил: «МакГарригл применил методы FTS к спин-орбитальным связанным конденсатам Бозе-Эйнштейна и сделал вычислительное открытие, что ранее известная фаза спиновых полосок (сверхтвердая) плавится при нагревании в спиновую микроэмульсию, а затем превращается в нормальную жидкость».
«Результаты показывают, что спиновая микроэмульсия имеет качественное сходство с бинепрерывными микроэмульсиями, обнаруженными в смесях масла, воды и поверхностно-активных веществ при комнатной температуре».
Более того, их результаты показывают, что термический фазовый переход или плавление сверхтекучего аналога полоскового жидкого кристалла имеет сходство с хорошо известными переходами Костерлица – Таулеса, наблюдаемыми в классических жидкокристаллических пленках и плоских магнитах.
При переходах Костерлица-Таулесса переход из одной фазы в другую в двумерных системах происходит, когда пары вихрь-антивихрь, являющиеся топологическими дефектами, становятся несвязанными. Это приводит к изменению порядка или поведения системы.
Эта аналогия дает возможность лучше понять поведение двумерных систем спин-орбитальных связанных бозонов Рашбы.
Открытие квантовой спиновой микроэмульсии пролило свет на новый фазовый переход, характеризующийся потерей сверхтекучести, сложными псевдоспиновыми текстурами и появлением топологических дефектов. Последствия этого открытия простираются глубоко в области квантовой физики и систем мягкой материи.
Однако остается много вопросов. Точный механизм плавления полосовой сверхтекучей фазы в системе, характеризующейся полными вихрями, полувихрями, псевдоспиновыми доменными стенками и псевдоспиновыми скирмионами, представляет собой серьезную задачу для будущих исследований.
Говоря о будущих исследовательских планах группы Фредриксона, МакГарригл сказал: «Мы планируем исследовать термодинамическую стабильность спиновой микроэмульсии относительно различных параметров системы, таких как анизотропия спин-орбитального взаимодействия, смешиваемость атомов в различных псевдоспиновых состояниях и псевдоспиновая поляризация. "
«Хотя наша первоначальная работа исследовала несмешивающиеся условия и изотропную спин-орбитальную связь Рашбы, мы планируем расширить наш численный анализ на более широкие условия. Мы будем исследовать толерантность к анизотропии в схеме спин-орбитальной связи, присутствие спиновой микроэмульсии в смешивающихся условиях и Это исследование поможет экспериментаторам реализовать эту фазу», — заключил он.
