无需搅拌，自发旋转！量子流体中的爱因斯坦–德哈斯效应

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦与波神·德哈斯（Wander Johannes de Haas）通过一个精巧的实验证明了微观磁矩与宏观角动量之间的等效性——即当一个铁磁体被磁化时，它会因为内部自旋角动量的改变而产生宏观旋转。这一发现被称为爱因斯坦-德哈斯效应（Einstein-de Haas Effect），它是人类首次在宏观尺度上直观“看到”电子自旋的存在。

时隔一个多世纪，由东京科学大学（Institute of Science Tokyo）的上妻干旺（Mikio Kozuma）教授团队在《Science》上发表了题为《Observation of the Einstein–de Haas effect in a Bose–Einstein condensate》的重磅论文。该研究成功在极低温度的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）中观测到了这一效应，将经典电磁理论与现代宏观量子力学完美地连接在了一起。

一、 实验背景：从固体到量子流体的跨越

在传统的固体物理实验中，爱因斯坦-德哈斯效应表现为金属棒的机械扭转。然而，在固体中，晶格的存在会束缚原子的运动，且摩擦和复杂的声子散射会掩盖许多精细的量子动力学过程。

物理学家们长期以来一直设想：如果在一个超流体（即没有黏性的量子流体）中触发这一效应，会发生什么？

• 角动量如何分配？
• 自旋的变化是否会直接诱导量子涡旋的产生？

尽管这一理论构想早在20年前就被提出，但其实验实现极具挑战性。原因在于，大多数常用的冷原子（如铷或钠）的偶极相互作用太弱，很难在有限的时间尺度内观察到自旋向轨道角动量的完整转移。

二、 核心突破：铕原子的“磁力”优势

上妻干旺团队成功的关键在于选择了铕原子（¹⁵³Eu）。

与传统的碱金属原子不同，铕作为镧系元素，拥有极大的基态磁矩（约7μB）。这种强大的磁偶极-偶极相互作用提供了自旋角动量与轨道角动量之间耦合的“桥梁”。

实验步骤解析：

• 极低磁场环境：团队首先将铕原子冷却至纳开尔文（nK）量级，形成 BEC。随后，他们利用极其精密的光学成像技术和磁场屏蔽系统，将环境磁场降低到近乎为零。
• 去磁化触发：研究人员通过精确控制磁场脉冲，改变原子的自旋取向（即改变系统的总自旋角动量）。
• 角动量转移：根据角动量守恒定律，自旋角动量的减少必须由另一种形式的角动量来补偿。在 BEC 这种流体中，唯一的补偿方式就是产生流体循环。

三、 论文的惊人发现：自发产生的量子涡旋

该论文最震撼的视觉证据在于其成像结果：当自旋发生翻转后，原本静止、均匀的 BEC 云团内部自发地形成了一系列量子涡旋。

这些涡旋是超流体旋转的标志性产物，它们证明了：

• 宏观旋转的产生：系统的角动量确实从“微观自旋”转移到了“宏观机械运动”中。
• 无需外力搅拌：与以往需要通过激光束“搅拌”BEC 产生涡旋的方法不同，这次旋转完全是由于内部磁性动力学引起的自发行为。

实验精确测量了自旋变化量ΔS与产生的轨道角动量L之间的比例。结果显示，在量子极限下，角动量守恒定律依然坚如磐石，其转化效率几乎达到了理论上限。

四、 科学意义与未来展望

这篇论文之所以能登上《Science》，是因为它在多个层面上刷新了我们对量子物质的认知：

1. 验证了量子热力学的基础理论

实验揭示了在一个孤立系统中，内禀角动量是如何通过非局域的偶极相互作用转化为整体运动的。这为研究自旋电子学中的“自旋扭矩”提供了最纯净的量子模拟平台。

2. 为新型量子器件提供思路

如果我们可以通过磁场精确控制量子流体的旋转，这可能预示着一种全新的量子陀螺仪或高灵敏度旋转传感器的诞生。

3. 开启了磁性超流体的新时代

该研究证明了铕原子 BEC 是研究强关联量子磁性的理想系统。未来，科学家可以利用该平台探索诸如量子相变、费米子自旋动力学等更为复杂的前沿课题。

结语

上妻干旺团队的这项工作，不仅是对爱因斯坦百年前天才设想的现代致敬，更是量子物理学的一次辉煌胜利。它告诉我们，物理学的基本定律——如角动量守恒——在跨越了温度的极限、尺度的鸿沟以及物质形态的巨变后，依然维持着其优雅而严谨的统治地位。