磁性量子流体：在两个方面具有极强的流动性

均匀的旋转Bose气体和易平面铁磁特性。来源：自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01779-6

两种超流体可以同时存在于超冷原子云中。到目前为止，它们之间的共存还无法通过实验观察到。然而，现在，海德堡大学的物理学家已经证明了这种磁性量子流体 - 它在原子气体中以两种方式流动。由Markus Oberthaler教授领导的研究人员已经成功地在超冷铷原子云中制备了这种状态，并对其进行了详细的表征。他们的研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

我们日常生活中所知道的流体不会在没有阻力的情况动。需要大型泵和涡轮机来移动水，蜂蜜从勺子上缓慢流出。这是由流体的内部摩擦引起的，通过该摩擦，运动能量最终转化为热量。这在量子流体中可能完全不同 - 这与玻色 - 爱因斯坦凝聚现象密切相关。

玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）是一种特殊的原子气体量子力学状态，在非常冷的温度下达到。处于这种状态的单个原子云集体表现为单个流体。这种量子流体能够在没有阻力的情况动——它是超流体。根据Oberthaler教授的说法，近几十年来，玻色 - 爱因斯坦原子是由非常不同类型的原子（如钠和铷）产生的，但最近也由更“奇特”的原子（如铒和镝）产生。

然而，这些原子中的大多数也表现出内部自由度 - 它们具有自旋并且表现得像小磁铁。原则上，这也会引起玻色-爱因斯坦凝聚现象，但这还没有被实验观察到，正如基尔霍夫物理研究所的研究员马库斯·奥贝塔勒（Markus Oberthaler）所解释的那样。现在，这种演示已经可以通过铷原子的超冷云来实现。

通常，玻色-爱因斯坦冷凝水是通过所谓的蒸发冷却制备的。这很像通过吹气在杯子里冷却咖啡。咖啡表面最快的原子被吹走，等待剩余的原子在较低的温度下静止。这对于自旋来说是极其困难的，这就是为什么海德堡物理学家选择了另一种方法。

“我们初始化了远离平衡的系统，一直等到铷原子达到新的平衡状态。起初看起来不太直观的结果非常有效，“Maximilian Prüfer博士说。该研究的主要作者是Oberthaler教授研究小组的成员，现在在TU Wien（奥地利）。

为了创建和追踪这种状态，研究人员使用了为此目的专门开发的独特检测和扰动方法。他们观察到，不仅运动自由度变得超流体，而且自旋也变得超流体。因此，磁性量子流体可以通过两种方式变得非常流体。

“我们的新研究方法不仅使我们能够表征冷凝水，而且还使我们能够更好地了解从非平衡到该状态的路径，”“合成量子系统”研究小组负责人Markus Oberthaler解释说，该小组也是海德堡大学STRUCTURES卓越集群的一部分。

实验物理学家与理论物理研究所的Jürgen Berges教授的研究小组合作，计算实验可观测物的理论预测。为了在计算和实验结果之间达成一致，必须假设极冷的温度。“这让我们所有人都感到惊讶，并将成为独立验证的进一步调查的主题，”Nature Physics论文的作者说。

更多信息：马克西米利安·普吕弗等人，自旋玻色气体中易平面铁磁体的凝结和热化，自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01779-6

期刊信息：自然物理学