超固体，物质的奇异阶段，具有怎样神秘的性质？

物理学家将物质的奇异阶段分配到一个额外的维度

超固体的原子可以在不损失能量的情况下移动

激光+超冷气体，开启物质变化新维度——超固体

超固体的原子可以在不损失能量的情况下移动

图解：艺术家对超固体的印象描绘，它既像固体又像液体。图源：IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

物理学家发明了有史以来第一个二维超固体——一种奇异的物质相，表现为固体和无摩擦液体共存。

图解：二维超固体。图源：sciencetimes

超固体是一种晶体材料，其原子排列结构规则且重复，也能够永远流动而不损失任何动能。尽管它们的奇异性质似乎违反了许多已知的物理定律，但物理学家早在1957年就在物理学家尤金·格罗斯（Eugene Gross）的工作中首次提出了理论上的预测。

现在，通过使用激光和超冷气体，物理学家终于将超固体诱导成了二维结构，这一进步可以让科学家们破解奇怪物质相神秘性质背后的深层物理。

研究人员特别感兴趣的是，当二维超固体旋转成一个圆圈时，它们将如何表现，以及它们内部会出现的小漩涡或漩涡。

图解：对膨胀的玻色-爱因斯坦凝聚环的概念图。图源：Emily Edwards, Joint Quantum Institute

主要作者、奥地利因斯布鲁克大学量子光学和量子信息研究所（IQOQI）的物理学家马修·诺西亚（Matthew Norcia）在一封电子邮件中告诉《生活科学》。“例如，我们希望通过研究旋转振荡，以及在二维系统比在一维系统中更容易存在的漩涡，学到很多东西。”

为了制造超固体，研究小组在光学镊子内悬浮了一团镝-164原子，然后使用一种称为激光冷却的技术将原子冷却到略高于零开尔文（零下459.67华氏度，或零下273.15摄氏度）。

图解：镝（Dy）。镝-164原子（原子序数：66）的原子核组成和电子构型图，镝是该元素最常见的同位素。原子核由66个质子（红色）和98个中子（蓝色）组成。66个电子（绿色）结合到原子核，依次占据可用的电子壳（环）。。图源：SCIENCE PHOTO LIBRARY

向气体发射激光通常会使气体升温，但如果激光束中的光子（光粒子）沿与移动气体粒子相反的方向传播，它们实际上会导致气体粒子变慢并冷却。在用激光尽可能地冷却镝原子后，研究人员松开了光镊的“把手”，为最高能的原子创造了足够的空间去逃逸。

由于“较热”的粒子比较冷的粒子抖动得更快，这项技术称为蒸发冷却，可以让研究人员只留下过冷的原子；这些原子被转变成了一种新的物质相：玻色-爱因斯坦凝聚体：一组被过冷到绝对零度的原子。

图解：将铷原子冷却到绝对零度以上不到1700亿分之一的温度，导致单个原子凝结成一个“超级原子”，表现为一个单一的实体。该图显示了时间上的三维连续快照，其中原子从密度较低的红色、黄色和绿色区域凝聚成非常密集的蓝色到白色区域。图源：physx

当一种气体被冷却到接近零度的温度时，它的所有原子都会失去能量，进入相同的能量状态。由于我们只能通过观察原子的能级来区分气体云中其他相同的原子，这种均衡具有深远的影响：从量子力学的角度来看，组成较暖气体的原子的振动、抖动和碰撞的一度完全不同的原子云变得完全相同。

这为一些真正奇怪的量子效应打开了大门。海森堡的测不准原理说作为量子行为的一个关键规则，其中说到，不能绝对准确地知道粒子的位置和动量。然而，既然玻色-爱因斯坦凝聚态原子不再运动，它们的所有动量都是已知的。这导致原子的位置变得如此不确定，以至于它们可能占据的位置的面积比原子之间的空间更大。

因此，模糊玻色-爱因斯坦凝聚球中的重叠原子就好像它们只是一个巨粒子，而不是离散的原子。这给一些玻色-爱因斯坦凝聚体赋予了超流体的性质：允许它们的粒子在没有任何摩擦的情况下流动。事实上，如果你搅拌一杯超流体玻色-爱因斯坦凝聚体，它将永远不会停止旋转。

研究人员使用镝-164（镝的一种同位素），因为它（与元素周期表上的相邻元素钬一起）是所有已发现元素中最具磁性的。这意味着，当镝-164原子过冷时，除了变成超流体外，它们还聚集在一起形成液滴，像小棒状磁铁一样相互粘附。

Norcia说，通过“仔细调整原子之间的长程磁相互作用和短程接触相互作用之间的平衡”，该团队能够制造出一个长的一维液滴管，其中也包含自由流动的原子——一维超固体。这是他们以前的工作。

为了实现从一维到二维超固体的飞跃，研究小组使用了一个更大的原子阱，并在两个方向上降低了光镊光束的强度。这与在陷阱中保持足够的原子以保持足够高的密度一起，最终使它们能够形成一种锯齿形的液滴结构，类似于两个彼此相邻的偏移一维管，一个二维超固体。

图解：研究人员将他们的原子阱设计成完全由激光制成，产生了一个非常平滑的全光环形势，可以在其中研究超流和原子电子。图源：JQI

随着其创建任务的完成，物理学家们现在希望使用他们的二维超固体来研究所有因具有这个额外维度而产生的属性。例如，他们计划研究在阵列液滴之间出现并被捕获的漩涡，特别是因为这些漩涡原子至少在理论上可以永远螺旋。

这也使研究人员更接近Gross等早期提案所设想的体积、三维、超固体，以及它们可能具有的更为奇特的性质。

BY: Ben Turner

FY: 武薇

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