物理学新突破：“二维超固体”究竟是什么？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主，原文标题：《开启第二维度》，题图来自：IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

一

今天，我们要谈论的是一种非常怪异的物质状态，在这种物质状态下，原子会排列成规则的、呈周期性的晶体结构；同时，它也能够在没有任何摩擦的情况下永远流动下去——这种既具有典型的固体特性又具有超流体特性的物质状态，被称为超固态（supersolidity）。

1957年，理论物理学家家尤金·格罗斯（Eugene Gross）首次预测了这种反直觉的物质状态。他推测，在接近绝对零度的温度下，大块的固氦晶体中的空位可以凝结成超流体。尽管这种奇异的设想最初是以大块的固氦为例而提出的，但迄今为止，科学家并没有在固氦中观察到过超固态的现象。

在很长一段时间里，格罗斯的预测都没能得到证实。直到近年来，超冷原子气体的应用为物理学家观察和研究超固态提供了另一种思路。在100nK（纳开尔文）的温度下产生的超冷原子气体是超固态的一个很有前景的候选者，因为它们可以通过玻色-爱因斯坦凝聚成为超流体。

2019年，有三个物理学家团队就分别利用超冷原子气体，实现了基于玻色-爱因斯坦凝聚的超固体。其中，由奥地利因斯布鲁克大学的实验物理学家Francesca Ferlaino所领导的研究团队就是其中之一。只是，当时他们实现的都是一维超固态，没有人在二维情况下做到这一点。

现在，Ferlaino团队在2019年的研究基础之上，利用激光和超冷磁性原子气体，首次将这种超固态性质扩展到了二维。他们将研究结果发表在了近期的《自然》杂志上。

二

超冷原子气体是非常适合用于研究由物质相互作用所导致的微观结果的。现如今，物理学家可以在实验室中精确地控制超冷气体云中的单个粒子，揭示出无法在日常世界中观察到的现象。

当气体被冷却到接近绝对零度的温度时，所有的原子都失去了能量，从而保持着几乎完全相同的能态。这时，我们只能通过观察原子的能级来识别气体云中的部分原子。如此一来，这种相同的能级使得曾经各不相同的气体云变成了一个完全相同的整体。而一旦处于这样的状态，就触及到量子世界中的一种奇异的效应。

量子力学中的不确定性原理告诉我们，我们不可能同时精确地知道一个粒子的位置和动量。而对于处于玻色-爱因斯坦凝聚态的原子来说，它们是不再运动的——因此其动量是已知的，这会导致无法确定它们的位置，从而使得每个原子可占有的空间大于原子彼此之间的空间。如此一来，在玻色-爱因斯坦凝聚体中，重叠在一起的原子取代了离散的原子，它们就可以表现得像是一个巨大的单一粒子。这就让玻色-爱因斯坦凝聚体具有了一部分超流体的特性——它们的粒子可以在没有任何摩擦的情况下流动。

2019年，科学家利用这种思路形成了一维的超流体。当时，Ferlaino的团队将镝-164原子悬浮在光镊中，然后用激光冷却技术将原子冷却到接近零度的温度。在用激光尽可能地冷却镝原子后，研究人员“松开”光镊，为能量最高的原子创造足够的逃逸空间。温度高一些的粒子会比温度更低的粒子振动得更快，因此这个过程会只留下那些超冷原子，而这些原子已经转变成了新的物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚态。

之所以选择在实验中使用镝-164，是因为它是所有已发现元素中磁性最强的。在磁相互作用下，原子能够自发地组织成液滴，并按照一种特定的模式进行排列。这意味着，当镝-164原子被冷却时，除了成为超流体之外，它们还会聚集成液滴——就像小磁铁棒一样彼此粘在一起。

然而，要实现从一维超固体到二维超固体的飞跃是非常困难的。在新的研究中，Ferlaino通过与理论物理学家合作，成功地将这种现象扩展到了二维，产生了两行及两行以上的液滴系统。

 能同时表现得既像固体又像超流体的超固体。当一种物质从液体变成固体时，其密度会随着构成晶体的有序粒子阵列的出现而发生强烈的变化。要使固体成为超固体，它必须还可以表现出超流体性，这就要求它的行为可以像波一样，在整个物质中具有明确的振荡。｜图片来源：IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

他们先是通过计算来了解应该如何精确地改变捕获势能的形状，才能够将一个线性超固体变成一个二维超固体。接着，他们根据理论计算，在实验中使用了一个更大的阱来困住原子。他们降低了两个方向上的光镊光束的强度，并通过在阱中保留足够多的原子以维持足够高的原子密度，最终创造出了锯齿状的液滴结构，即二维超固体。

三

一维超固体是在两年前出现的，这在当时是一个很大的惊喜。现在，新的二维超固体带来了令人欣喜的突破。它的出现使得使物理学家有了进一步研究这种奇异物质状态的机会，并且有望利用它们来破解这种神秘的物质状态背后的更深层物理学。

它极大地拓宽了物理学家的研究视角。现在，物理学家想要利用新的二维超固体来研究额外维度所产生的所有特性。例如，在二维超固体系统中，物理学家可以研究漩涡是如何在几个相邻的液滴之间形成的。这样的结果也让研究人员更接近格罗斯最初所设想的大块的、三维的超固体，以及它们可能拥有的更多奇特属性。

参考来源：

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

https://www.uibk.ac.at/newsroom/supersolid-in-a-new-dimension.html.en

https://www.space.com/first-2d-supersolid 

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

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主