常见物质以三种不同的形式存在：固态、液态或气态。然而过去的物理学研究揭示了物质的其他奇特状态，其中之一就是超固态。在超固态中，粒子被排列成刚性晶体，尽管如此，它们仍然可以在没有任何摩擦的情况下穿过固体。虽然这看起来很矛盾，但这种状态是量子力学定律所允许的。丹麦奥尔胡斯大学(Aarhus University)一组研究人员现在进行了一项研究，探索了偶极玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的超固性，偶极玻色-爱因斯坦凝聚体是一种物质状态。
在这种状态下，冷却到接近绝对零度的单个原子结合成一个量子力学实体，其研究成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，揭示了结晶发生的临界点，并出现了一种新的超固相，其特征是规则的蜂窝状结构和近乎完美超流体。进行这项研究的研究人员之一托马斯·波尔(Thomas Pohl)表示：50多年前的推测表明，超固体性一直难以被观测到，直到现在才有了新的发现。
在接近绝对零度的温度下，非常稀薄的原子气体会被激光冷却，并被困在其中。在这样极端的条件下，原子可以共同形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体。这是一种量子态，代表了理想的无摩擦超流体。然而，人们自然不会期望这种稀释、自由流动的液体会结晶。
科学家被超固态的奇异性质所吸引，想知道如果原子以合适的方式相互作用，这是否可能。本世纪初，研究人员提出，由粒子形成的偶极玻色爱因斯坦凝聚体，就像小磁铁一样，可以在相当长的距离内相互吸引和排斥。在研究中，Pohl和同事张永昌（音译）和Fabian Maucher观察到，这种偶极凝聚的量子涨落可以导致在临界点(即相图中的一个点。在该点上，物质的两个相变得不可分辨。这本质上意味着，偶极冷凝物实际上可以是超固态。
这正是研究人员在开始研究时所希望的。然而在计算产生了进一步的惊喜，特别是与量子流体结晶的方式有关。当把冰块放入一杯水中时，它需要一段时间才能完全融化，换句话说，水在融化或冻结的过程中可以以液体和固体的形式共存，这种行为在许多其他物质中都很典型。令人惊讶的是，研究发现超固体以一种特殊的方式冻结，在这种方式下，原子要么是完全液态的，要么是完全固态的，而液体和晶体几乎完全相同，就在两相转变而不共存的时刻。Pohl、Zhang和Maucher进行的分析揭示了一种新超固体，这与他们最初预期的非常不同。
偶极量子流体不再是原子排列在典型晶格上，而是形成了蜂窝状结构。然而，与蜂窝状结构相反，蜂蜜是一种粘性流体，在这种结构中，偶极原子可以沿着超流体“蜂巢”的脊线自由移动。研究人员发现了这种奇特的物质形式，在这种物质中，粒子可以在完全由液体本身构成的规则网络中流动，而且几乎是零粘度。研究人员Fabian Maucher说：我们的理论研究是基于宏观量子力学波函数的分析和数值模拟，该函数描述了玻色-爱因斯坦凝聚态中偶极原子的状态。正如之前研究所指出的，一个特别重要的方面是在描述中包括量子力学关联和量子涨落。
事实上，事实证明，这种量子涨落促进了蜂窝固体及其不寻常的冻结行为，否则就不会存在。正如研究发现所示，这种超固态可以追溯到偶极缩合物中量子涨落的影响。在未来，研究人员计划进一步研究这些发现，并开展更多关于偶极玻色-爱因斯坦凝聚的研究。同时，其他研究团队也在探索偶极量子流体的行为，包括理论和实验。偶极量子流体已经成为超固体行为的一个令人兴奋的新平台，它将继续挑战我们对超固体行为的理解，并揭示关于这种迷人物质量子状态的惊喜和新见解。
博科园｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.015301
发表于 2020-4-11 01:03
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