Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

当物质从一种物态转变为另一种物态时（例如水结冰），这种变化并不总是能在所有地方同时完美发生。相反，这种转变通常始于微小的区域，并逐渐扩大最终合并。如果这种转变发生得很快，不同的区域可能无法在排列方式上达成一致，从而在它们碰撞的地方留下永久性的伤痕或缺陷。在粒子表现得像波一样的量子世界中，这些缺陷会以被称为涡旋（vortices）的微小漩涡形式出现。几十年来，物理学家一直依赖一套被称为基布尔-祖雷克机制（Kibble-Zurek mechanism）的规则来预测会形成多少个这样的漩涡。这一框架表明，转变的速度决定了缺陷的数量：变化越快，留下的伤痕越多；而变化越慢，系统则能更平和地趋于稳定。这一观点已在许多不同的系统中得到了测试和证实，从超流体到早期宇宙模型，使其成为了我们理解秩序如何从混沌中产生的基础。

然而，一项新的研究表明，这一长期存在的规则存在一个显著的盲点。研究人员发现，如果盛放量子流体的容器正在旋转，游戏的规则就会完全改变。通过模拟在一个旋转陷阱中形成玻色-爱因斯坦凝聚态（一种原子表现得像单一量子波的稀有物态），团队发现容器的旋转取代了通常的预测。结果显示，涡旋的数量不再取决于相变发生的快慢，而是旋转迫使流体产生特定数量的涡旋，且该数量与旋转速度相匹配，而与冷却速率无关。这一发现挑战了基布雷尔-祖雷克机制的普适性，并揭示了仅仅通过对陷阱进行一次简单的扭转，就可以成为控制这些量子系统行为的主控开关。

研究人员利用对二维原子云的计算机模拟，旨在观察当这个量子气体在容器旋转时被冷却至形成凝聚态会发生什么。在第一种情景中，他们保持旋转速度恒定，同时快速改变条件以触发相变。他们观察到，旋转运动产生了一种强烈的偏差，倾向于形成与容器旋转方向相同的漩涡，同时抑制反向旋转的漩涡。因此，形成的涡旋总数并非由冷却过程的速度决定，正如标准理论所预测的那样。相反，这个计数稳定在了一个由旋转速度决定的数值附近，这种关系被称为费曼-昂萨格极限（Feynman-Onsager limit）。陷阱旋转得越快，出现的涡旋就越多，而通常情况下冷却速度与缺陷数量之间的联系便消失了。系统似乎忽略了通常支配这些转变的“冻结时间”，而是受陷阱角动量的驱动。

为了测试这是理论性的根本性突破还是特定设置下的效应，团队尝试了第二种方法。在这个版本中，他们从一个非旋转陷阱开始，在冷却气体的同时缓慢增加自旋速度。这种旋转与冷却的同时同步提升改变了结果。当旋转速度随冷却过程缓慢增加时，系统的表现更符合标准理论的预测。涡旋数量遵循基于冷却速度的预期模式，且普适标度律依然成立（至少在低旋转速度下）。这种对比证明，关键因素不仅在于旋转的存在，更在于旋转被系统感知到的时机。如果原子在相变开始的那一刻感受到强烈的自旋，标准规则就会失效；如果自旋是逐渐引入的，原子就有时间进行调整，普适法则便能保持完整。

研究还观察了这些漩涡在相变完成后的情况。在模拟中，这些涡旋并未排列成物理学家所称的阿布里科索夫晶格（Abrikosov lattice）——即旋转超流体的理想状态——这种完美的蜂窝状网格。相反，它们陷入了一种无序的、玻璃态的排列中。容器的边缘和特定的涡旋数量造成了一种挫折感（frustration），阻碍了它们寻找完美的秩序。然而，研究人员发现，如果添加一种温和的外部钉扎力——例如一种微妙的光学图案来固定原子位置——这些无序的漩涡就可以被诱导形成那种完美的有序晶格。这表明，虽然在旋转陷阱中冷却的自然过程会导致无序，但一点额外的引导可以恢复理想的结构，即使在低旋转速度下也是如此。

这些发现为思考如何控制量子物质提供了一种新途径。研究表明，旋转不仅仅是一个被动的背景条件，而是一个可以用来引导相变结果的积极工具。通过调节自旋，科学家可以选择是遵循缺陷形成的普适法则，还是强制系统进入由角动量决定的特定状态。这一洞察加深了我们对量子世界中对称性破缺的理解，并为操纵玻色-爱因斯坦凝聚态的关键动力学提供了一个实用的控制旋钮。这些基于随机格罗斯-皮塔耶夫斯基方程（stochastic Gross-Pitaevskii equation）详细计算机模拟得出的结果强调，冷却系统的随机涨落与旋转的宏观需求之间的相互作用，创造了一场关于秩序与无序的复杂舞蹈，而旧有的规则无法对其做出完整预测。