Exploration des condensats de Bose-Einstein couplés spin-orbite

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) ont rapporté la découverte d’une microémulsion de spin dans des systèmes bidimensionnels de condensats de spinor Bose-Einstein, mettant en lumière une nouvelle transition de phase marquée par la perte de superfluidité, textures de pseudospin complexes et émergence de défauts topologiques.

Un condensat de Bose-Einstein (BE) est un état de la matière qui se produit à des températures extrêmement basses, dans lequel les bosons, tels que les photons, deviennent indiscernables et se comportent comme une seule entité quantique, formant un état superfluide ou supraconducteur.

Les condensats BE peuvent présenter des propriétés quantiques uniques, telles qu’une microémulsion de spin. Lorsque les états de spin internes des atomes dans un condensat BE sont couplés à leur mouvement, une phase unique appelée microémulsion de spin peut émerger.

Cette phase implique que les atomes s’organisent en modèles basés sur leurs états de spin, de la même manière que les microémulsions se forment dans les systèmes de matière molle.

Microémulsions et couplage spin-orbite

Le concept de microémulsions n’est pas nouveau ; on les trouve généralement dans les systèmes de matière molle synthétique. Ces phases émergent lorsque deux espèces non miscibles (comme le pétrole et l’eau) forment des domaines enrichis tandis qu’un troisième composant minoritaire stabilise leurs interfaces, comme un tensioactif.

Cependant, l’émergence d’une microémulsion de spin dans le domaine de la physique quantique n’a jamais été observée.

Ethan McGarrigle, auteur principal et doctorat. Un candidat au Département de génie chimique de l’UCSB a déclaré à Phys.org : « Il a été théorisé qu’une phase analogique de microémulsion quantique existe dans les systèmes électroniques bidimensionnels, où des domaines de charge corrélés de type microémulsion apparaîtraient ; cependant, elle n’a jamais été observée ou étayée par des preuves numériques ou expérimentales.

Les chercheurs ont utilisé des simulations avancées de la théorie des champs (FTS) pour étudier la transition d’une phase de bandes à basse température présentant des caractéristiques supersolides.

À mesure que la température augmente, cette phase rayée se transforme en ce que les chercheurs appellent une microémulsion de spin. La phase rayée est une configuration spécifique d’atomes dans le condensat BE où ils forment un motif rayé.

Dans la phase de microémulsion de spin, les atomes s’auto-organisent en fonction de leurs états de spin internes, semblable à la formation de microémulsions dans les systèmes de matière molle.

Le Dr Glenn Fredrickson, chercheur principal et professeur émérite de génie chimique et de matériaux à l’UCSB, a précisé : « Cette phase de microémulsion se produit lorsque le mouvement de chaque atome est couplé à son état de spin interne, ce qui entraîne un effet de couplage spin-orbite. »

L’acteur clé de ce phénomène est le couplage spin-orbite isotrope bidimensionnel de Rashba, qui est l’interaction entre le spin de l’atome et son mouvement.

Le Dr Fredrickson a poursuivi : « Dans les condensats BE, les atomes minimisent collectivement leurs énergies à des moments spécifiques et préférés. En conséquence, les systèmes de condensats BE couplés spin-orbite peuvent héberger un état superfluide à bandes d’ondes stationnaires, qui possède un caractère supersolide. et est décrit comme un analogue de cristaux liquides superfluide.

Imaginez-le comme un motif ou un alignement ondulatoire d’atomes dans le condensat. Cet état est unique car il combine les caractéristiques d’un superfluide et d’un cristal, phénomène appelé supersolidité. C’est comme si les atomes se comportaient comme des vagues, s’alignant de manière structurée.

Transitions Kosterlitz – Tholess et travaux futurs

Dans leur étude, les chercheurs ont simulé cet état superfluide à différentes températures, conduisant à la découverte de la microémulsion de spin au-dessus d’une température critique.

Le Dr Fredrickson a expliqué : « McGarrigle a appliqué les méthodes FTS aux condensats de Bose-Einstein couplés spin-orbite et a fait la découverte informatique que la phase à bande de spin (supersolide) précédemment connue fond lors du chauffage en une microémulsion de spin avant de se transformer en un fluide normal. »

“Les résultats révèlent que la microémulsion de spin présente une similitude qualitative avec les microémulsions bicontinues trouvées dans les mélanges huile/eau/tensioactif à température ambiante.”

De plus, leurs résultats suggèrent que la transition de phase thermique ou la fusion de l’analogue de cristaux liquides à bande superfluide partage des similitudes avec les transitions Kosterlitz – Thouless bien établies observées dans les films de cristaux liquides classiques et les aimants planaires.

Dans les transitions de Kosterlitz-Thouless, le passage d’une phase à une autre dans les systèmes bidimensionnels se produit lorsque les paires vortex-antivortex, qui sont des défauts topologiques, se délient. Cela entraîne un changement dans l’ordre ou le comportement du système.

Cette analogie offre un aperçu de la compréhension du comportement des systèmes bidimensionnels de bosons couplés spin-orbite de Rashba.

La découverte d’une microémulsion de spin quantique a mis en lumière une nouvelle transition de phase marquée par la perte de superfluidité, des textures de pseudospin complexes et l’émergence de défauts topologiques. Les implications de cette découverte touchent profondément les domaines de la physique quantique et des systèmes de matière molle.

Cependant, de nombreuses questions demeurent. Le mécanisme précis de fusion de la phase superfluide en bandes dans le système, caractérisé par des vortex complets, des demi-vortex, des parois de domaine pseudospin et des skyrmions pseudospins, présente un défi incontournable pour les recherches futures.

Parlant des futurs projets de recherche du groupe Fredrickson, McGarrigle a déclaré : « Nous prévoyons d’étudier la stabilité thermodynamique de la microémulsion de spin concernant divers paramètres du système, tels que l’anisotropie du couplage spin-orbite, la miscibilité des atomes dans différents états de pseudospin et la polarisation du pseudospin. ”

“Alors que nos premiers travaux exploraient les conditions non miscibles et le couplage spin-orbite isotrope de Rashba, nous prévoyons d’étendre notre analyse numérique à des conditions plus larges. Nous étudierons la tolérance à l’anisotropie dans le schéma de couplage spin-orbite, la présence de la microémulsion de spin dans des conditions miscibles et sa réponse à des populations inégales d’états de pseudospin. Cette recherche guidera les expérimentateurs dans la réalisation de cette phase”, a-t-il conclu.

Les résultats de l’étude sont publiés dans Lettres d’examen physique.

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