准粒子玻色-爱因斯坦凝聚体中的相位相干性自发涌现

自从爱因斯坦在量子力学黎明时期预言以来,玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)因其能在宏观尺度展现量子现象的特性,正日益受到物理学各领域的关注。从液氦到稀薄原子气体,研究人员已在多种物理系统中观测到这一现象的诸多奇妙表现。除原子等真实粒子及库珀对、激子等复合玻森子外,该现象也存在于极化激元、磁振子(磁性介质中自旋波激发的量子)等准粒子气体中。BEC态的核心特性是其相干性,表现为相应波函数具有精确定义的相位——该相位会自发形成并统摄所有聚集在能谱底部的粒子。迄今为止,BEC相位仅能通过依赖空间相位差的现象(如干涉、二阶相干性等)或宏观BEC运动(超流、超导电流及约瑟夫森振荡)来间接显现。本研究提出了一种直接时域测量磁振子BEC相干态相位(相对于外部参考信号)的方法。该团队观察到自由演化的磁振子气体中自发产生相干性,表现为磁振子会凝聚至具有最小能量和明确相位的均匀进动态。这些发现不仅验证了准粒子凝聚态所有理论预测的基本特性,为此类系统提供了全新的自由度调控途径,更为利用微波频段磁振子BEC进行信息处理开辟了可能性。

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