“可以穿越的墙面”背后物理学,科学家首度制造出二维超固体

近年来,越来越多通用物质状态从实验室中制造出来,其中一种称为“超固体(Supersolid)”,在这种状态下所有原子都像固体一样排列在晶格结构,但同时又能自由流动,若在科幻小说中,大概就是你可以穿过一面看似固体的墙。之前,科学家只在一个维度中实现超固体,现在物理学家首次在实验室制造出二维超固体量子气体。

超固体(Supersolid)听起来可能会让你主动以为是超级坚硬的固体,实际上并非如此,这是一种所有分子(或原子、原子对)处于低温玻色–爱因斯坦凝态(Bose–Einstein condensate,BEC)的物质状态,和超流体(Superfluid)很相似,同样具有许多神奇特性,例如所有分子都表现得像同一个分子,熵为零、黏度为零、无摩擦力且能像液体一样流动,但同时又维持晶格结构。

该物质状态最早由理论物理学家尤金·格罗斯于1957年首次预测,他提出在接近绝对零度的温度时,固态氦-4晶体中的空位将会凝结,转变成和超流体一样的零黏度状态,但它看起来仍是固体。

2004年,美国宾州州立大学科学家陈鸿渭宣布发现了超固体,他将固氦冷冻到极低温、并使其在不同速度下振荡,结果发现粒子表现出无摩擦流动现象,就像发生在液氦的超流体现象,虽然后续调查发现实验似乎出错了,但研究人员仍继续努力观察固态氦的超固体相。

2017年,两个独立研究团队——苏黎世联邦理工学院与麻省理工学院,各自宣布观察到原子气体玻色-爱因斯坦凝聚态的超固体现象;到了2019年,奥地利因斯布鲁克大学Francesca Ferlaino团队首度证明了一维超固体存在,高磁性原子的BEC态可以在外加磁场中自发形成有序团簇,显现出各向同性(isotropic)超流体状态的超固体,为理论预测打开了新一条测试道路。

科幻小说中可以穿越的墙,实际上是超固体。 (Source:pixabay)

不过在一维超固体中,原子只能沿一个方向流动,现在,由德国汉诺威大学理论物理学家Luis Santos与因斯布鲁克大学Russell Bisset领导的团队,利用激光将镝-164(已知最具磁性的元素)原子冷却至接近绝对零度的温度并转变为玻色-爱因斯坦凝聚态。

由于镝-164的高磁性,当它转变为超流体后还会排列成液滴(droplet)像磁铁一样相互吸黏,而新实验中,研究人员制造出排列成锯齿形的液滴结构,成功将超固体诱导成二维结构。

虽然我们还不确定科学家是否有办法制造出更大的二维超固体,更别提超固体状态存在于极低温度下,但这项实验已是一大创举,将帮助科学家破解奇怪物质相背后更深层次的物理学,比如研究涡流如何在几个相邻液滴之间的孔形成。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(首图来源:因斯布鲁克大学)

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