除了常见的固态、液态、气态和等离子体,科学家们还在实验室中召唤出了许多奇异的物质状态,比如本人要向大家介绍的“超固体”(supersolid)。仅从“超固体”的字面意思来看,普通人很难想象它到底是个什么样子。不过几年前才被证实的这一物质形态,现已被因斯布鲁克大学的研究人员们、以一种新颖的二维形式来创造。

  本质上讲,超固体的原子排列与普通固体一样,都处于刚性的晶体结构中。在在此基础上,超固体还允许原子像超流体(superfluid)一样,以零粘度的方式流动。

  尽管听起来与常理相悖,但自 1960 年代以来,科学家们就一直认为超固体在理论上是可能存在的。尽管直到 2017 年,它才终于得到了实验证实。

  为制造出超固体,几支研究团队使用了处于玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的物质。其由冷却到几乎为绝对零度的低密度原子气体云组成,并且表现出了奇怪的量子特性。

  通常情况下,我们无法在如此大的范围内观察到。但 BEC 中的所有原子,就是同时存在于云中的每个点位,这种现象又被称作离域化(delocalization)。

  在之前的实验中,超固体只是一维的,因而原子只能沿一个方向流动。

  现在,因斯布鲁克团队为它们增加了一个全新的维度,使之从沿着“一根绳子”移动、升级到了可在“一张纸面”上移动。

  实验中选用了镝原子组成的 BEC,原子之间的磁相互作用,使之自主排列形成了基于液滴的网格。

  研究作者 Matthew Norcia 指出:“通常情况下,你会认为每个原子都存在于一个特定的液滴中,而无法在它们之间找到”。

  然而在超固体物质状态下,每个粒子都在所有液滴中离域,同时存在于每个液滴中。这样就有了一个具有一系列高密度区域(液滴)区域的系统,且这些区域都共享相同的离域原子。

  研究团队称,这项研究突破使得物理学家们能够超脱以往的一维环境,为更高维的量子怪异性研究敞开了新的大门。

  “例如,在二维超固体系统中,人们可以研究涡流是如何在几个相邻液滴之间的孔中形成的。虽然这些理论上描述的涡流尚未得到证实,但这种超流体性质,仍有望催生更具突破性的重要研究成果”。

  有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然》(Nature)杂志上,原标题为《Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas》。

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