50多年前预测的超固体利用量子气体首次在二维中实现

 光子盒研究院出品

来自奥地利和德国的研究人员发现，玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)中的原子可以在二维空间中以神秘的“超固体”状态存在。

相关论文《在偶极量子气体中实现二维超固体》于8月18日发表在《自然》杂志上。

超固体是一种违反直觉的物质状态，理论物理学家Eugene Gross于1957年首次预测了这种状态。Gross推断，大块固体氦-4晶体中的空位可以凝结成流过固体的超流体。想象一下，浸入液态水中的冰块，水毫无摩擦地流过冰块。

在2019 年的研究中，研究人员使用超冷磁原子制造了超固体，但其有序结构仅存在于一维。而现在，奥地利和德国的科学家报道了由超冷镝原子形成的二维超固体的观测结果。

实验室中的第一个二维超固体

当液体变成固体时，它的密度会随着构成晶体的粒子阵列慢慢变得有序而发生剧烈变化。这种秩序表征了从冰到金属的固体，肉眼是看不见的，打破了平移对称性。一种材料要成为超固体，同样必须打破平移对称性。此外，它还需要表现出超流性，这要求它表现得像波一样，在整个材料中具有明确的振荡。

科学家们首先在低温下利用氦原子来寻找超固体。当压力变化时，这些原子就可以在固相和超流体相之间转变，这表明固体和超流体行为可能共存。氦原子是观测超固体的绝佳候选者，因为根据量子力学，这种超轻原子很容易表现得像波。不幸的是，超固体氦仍然难以捉摸。

仅在大约100纳开尔文的温度下产生的超冷原子气体是超固体的另一个有希望的候选者，因为它们可以通过玻色-爱因斯坦凝聚态(玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态)成为超流体。通过将玻色-爱因斯坦凝聚态放入激光图案中，研究人员观察到了呈现超流性的自排列原子阵列。然而，这些晶体的周期性由激光的波长决定，这意味着材料的晶格结构不能像传统固体那样振动。因此，此类系统缺乏超固体的某些自由度。

由于这些原因，在2019年，当三个小组宣布基于磁性玻色-爱因斯坦凝聚态的超固体被制造出来时，科学家们兴奋不已。这些使用强磁性镝或铒原子制成的凝聚态是由两种吸引和排斥相互作用之间的竞争驱动的。实验在接近原子间的吸引力强到足以使系统崩溃的极限时进行。在这些条件下，原子形成液滴阵列。每个液滴的形状由原子相互作用之间的竞争和由量子涨落产生的有效压力控制。此外，液滴的空间排列取决于它们之间的长程磁斥力。

除了这种自排列的液滴阵列之外，还有一个相对较大的、密度大致均匀的背景气体，可以为原子波提供超流所需的明确振荡。在这个系统中，液滴晶格(对应于超固体的固体性质)与均匀的背景气体(对应于超固体的超流性质)共存，类似于上面提到的浸入水的冰块。但值得一提的是，晶体和背景气体由相同的原子组成，并形成单一的物质相：超固体。

这些开创性研究制造了一维液滴阵列和超固体，在最新研究中，奥地利和德国的科学家修改了限制原子的光阱，以产生二维液滴阵列和超固体(下图)。

这个演示是一个关键进步，因为证明一个系统表现出超流性的一个直接方法是研究它在旋转下的性质，如果这个系统只有一维，则无法进行这种分析。

超冷原子气体形成的超固体。超固体是将固体的有序结构与称为超流体的物质的无摩擦流动相结合的材料。研究人员使用镝原子的超冷气体制成一维和二维超固体。颜色代表系统从低(黑色)到高(黄色)的密度。比例尺为10 微米。

超流体只能通过扭曲其相应的波来旋转，这样超流体就会产生一个漩涡，类似于水中的漩涡。这种涡流的形成需要一定量的能量，因此在实践中，超流体在系统受到足够大的旋转力之前不会旋转。这种特殊行为导致超流体具有非常规的转动惯量——一个衡量物体抵抗旋转加速度程度的量。对于超固体，定性地认为晶体成分会像刚体一样旋转，而背景气体不会。

将本次研究中的超固体的转动惯量与普通固体的转动惯量进行比较将是确定超固体表现出超流性的比例的一种方法。

另一个有待解决的问题是超固体的性质在多大程度上受其尺寸限制。具有长程相互作用的系统的性质，例如本案例中的磁相互作用，通常由系统外缘的结构决定。在本次实验中，液滴阵列的结构对陷阱极为敏感，这表明其对这种边界效应具有高度敏感性。是否可以制造出比作者的超固体更大的系统还有待观察。

参考链接：

[1] https://www.nature.com/articles/d41586-021-02191-5#ref-CR4

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03725-7

[3] https://physicsworld.com/a/supersolidity-enters-a-second-dimension/

[4] https://scitechdaily.com/supersolid-quantum-gases-in-a-new-dimension/

—End—

相关阅读：

#光子盒社群招募中#

进入光子盒社群，与我们近距离互动，了解量子领域更多产业、商业、科技动态，领取量子技术产业报告。

现添加社群助手微信Hordcore即可进群 ，与我们一起展望未来！

你可能会错过：