现代物理学最基本的概念之一是自发对称性破缺。当系统经历相变进入有序状态时，它必须从无限多个等价可能性中看似随机地选择一个特定的构型。铁磁体选择磁化方向。晶体选择晶格的位置。而玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）——大量粒子占据同一量子态的物态——必须选择一个相位。
这个选择时刻，即从虚无中涌现出一个全局相位，是BEC理论的核心。它由弗里茨·伦敦于1938年预言，并自此成为凝聚态物理学的支柱。但它从未在时间域中被直接观测到。
现在，德国RPTU凯泽斯劳滕-兰道大学的物理学家们与科罗拉多大学科罗拉多斯普林斯分校的合作者一起，在毫米尺度的钇铁石榴石（YIG）晶体内部拍摄到了这一过程。他们的研究结果发表在《自然·物理学》上。
“我们首次能够直接测量磁子凝聚体中相干性的自发涌现，”该研究的第一作者马尔特·科斯特说。”我们可以证明凝聚体的相位与任何外部源无关，这证明了真正BEC的形成。”
磁子作为BEC平台
磁子是自旋波的量子准粒子，即材料中磁有序的集体激发。它们是玻色子，在适当条件下可以凝聚成BEC，就像原子可在激光冷却至纳开尔文温度的气体中凝聚一样。不同之处在于，磁子BEC在室温下并在固体晶体内部工作，使它们更易于实验研究。
研究人员使用了2.1微米厚的YIG薄膜，这是一种合成亚铁磁性石榴石，具有极低的磁阻尼——已知所有磁性材料中最低的。他们通过微带天线用7.8吉赫兹的1微秒微波脉冲泵浦薄膜，施加281毫特斯拉的磁场。在每个脉冲之后，薄膜中的磁子通过四磁子散射过程热化，当泵浦功率超过约21 dBm的阈值时，它们在磁子谱底部凝聚成相干态。
关键的创新在于检测方法：一个IQ混频器，可在单次测量中测量进动磁化的瞬时相位，无需跨周期平均。这保留了每个独立凝聚事件的相位信息。
相位的出现
三个观察结果证实了自发对称性破缺。第一，凝聚体的相位在1,000次独立实验运行中均匀分布在0到2π之间。泵浦相位是固定的，每次都相同，但磁子相位是随机的，证明它不是外部强加的。
第二，出现是突变的。在约21 dBm泵浦功率以下，没有相干性出现。超过此阈值，相干性指标急剧跃升至约0.9，这是经典的相变特征。
第三，一旦形成，凝聚体保持其相位直到磁子密度衰减至噪声基底以下。没有退相位现象；该状态在其整个寿命期间保持稳定。
“这是准粒子BEC中U(1)对称性破缺的确凿证据，”资深作者之一格奥尔格·冯·弗赖曼说。”相位不是由泵浦、几何形状或晶体决定的。它是每次重新自发选择的。”
为何重要
这项实验填补了BEC物理学中一个长期存在的空白。空间相位差已在干涉实验中被观察到，二阶相干性也已被间接测量。但是，从非相干态中涌现出全局相位的直接时间域观测此前在任何BEC系统中——无论是原子、激子-极化激元还是磁子——都未能实现。
该结果也验证了准粒子BEC尽管是非平衡耗散系统，却遵循与原子BEC相同的基本相干性物理规律。这具有实际意义：磁子BEC在室温下以微波频率工作，使它们成为基于相位的信息处理和磁子超流器件的潜在有用平台。
需要注意几个问题。磁子BEC是非平衡凝聚体，仅在连续泵浦下存在，这与平衡态原子BEC不同。测量是感应式的，不是对波函数的直接量子测量，天线作为空间滤波器对薄膜进行平均。尽管如此，观测结果是明确的：相位从虚无中涌现，由系统自身选择。
婷 翻译
Source: Koster, M., Schweizer, M.R., Noack, T. et al. “Emergence of phase coherence in a magnon Bose-Einstein condensate.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03373-6