超固体旋转时呈现“量子涡旋”

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奥地利因斯布鲁克大学研究团队在旋转的二维超固体中首次观察到量子涡旋，这为长期寻找的无旋超流体流入超固体的现象提供了确切证据，标志着调制量子物质研究迈出了一大步。相关成果发表在最新一期《自然》杂志上。

超固体是一种近年来才被验证的新型量子物质状态，它同时具备超流体和固体的特性。这种独特的物质状态可在极低温的偶极量子气体中人工生成。

物质同时展现固体和超流体的属性似乎违背直觉。然而，量子力学原理允许这样的状态存在。尽管科学家已经通过直接成像技术展示了构成超固体中的“固体”特性的晶体排列，但其超流体特性则更为隐秘。科学家一直在探索超流体现象的不同方面，但是证明超流体核心特征之一——量子涡旋的存在却异常困难。

此次，研究团队结合理论模型与前沿实验，在偶极超固体中成功创造了涡旋并对其进行了观察。他们确认了超流动性的一个关键缺失环节，即系统对旋转作出响应时表现为量子涡旋的出现。首次在超固体中观测到的小尺度量子涡旋呈现出与之前预期不同的特性。

2021年，该团队利用极冷的铒原子气体创造了首个长寿命的二维超固体。在新研究中，他们基于理论指导，采用高精技术，借助磁场温和地搅动超固体。因为液体不具备刚性旋转的能力，因此这种搅拌促成了量子涡旋的生成，这是超流体动力学的一个显著标志。

这项历时接近一年的实验，揭示了超固体中涡旋动态与非调制量子流体之间的显著区别，同时也为理解这些奇异量子态中超流体和固体特性如何共存及互动提供了新的视角。