超固体，具有超流体性质的固体材料，其中一种物质可以以零粘度流动，现在已成为众多物理学研究的焦点。超固体是物质的矛盾相，其中两个截然不同、有些对立的顺序共存，导致物质既是晶体又是超流体。超坚固性最初是在20世纪60年代末被预测出来，现在已经逐渐成为越来越多研究的焦点，引发了不同科学领域的争论。例如，几年前，一组研究人员发表了有争议的研究结果，他们在固态氦中发现了这种相，但后来作者自己否认了这一说法。
这项研究的一个关键问题是，没有考虑到氦的复杂性，以及它有时可能产生不可靠的观测结果。此外，在原子中，相互作用通常是非常强和稳定的，这使得这个阶段更难发生。偶极量子气体位于固态氦等结构的另一个极端，因为它们是由气相中的超冷磁性原子冷却到微毫开尔文温度构成。
因此，在这些气体中，原子之间的相互作用微弱，但它们也是远距离的，并且可以通过外部控制的磁场进行调节。由于量子气体具有高度的可调谐性，几年前，量子气体开始更频繁地出现在超固态理论中。第一个实验是用气体与光场耦合，实验显示了具有超固态性质的状态，但在这些状态下，固体仍然是不可压缩的。
现在三个研究小组(一个由Tilman Pfau领导的德国小组，一个由Giovanni Modugno领导的意大利小组，以及一个由Francesca Ferlaino领导的Innsbruck大学和Institut fur Quantenoptik und Quanteninformation的研究小组)同时发表了对具有超固体性质状态的观察。innsbrucucs的研究人员表示：我们能够证明，在特定的相互作用条件下，磁性气体经历了向超固态的相变。表现出两种自发密度调制(即自发密度调制)，晶体和全局相位相干性。
值得注意的是，超固体性质真正来自于裸粒子间的相互作用，它们具有很强的偶极-偶极贡献。在此基础上，弗朗西斯卡·法莱诺(Francesca Farlaino)领导的研究小组开展了一项新研究，对捕获偶极超固体的激发光谱进行了研究，获得了有趣的新观测结果。这项研究是揭示物质超固态如何响应激发态的重要一步。要探测超固体性，重要的是要证明系统超流体和晶体性质对扰动的反应不同。更普遍地说，在量子物理学中，任何系统都有其固有的激发模式，用来描述它对扰动的响应。
例如，一根被拉紧的吉他弦，只以给定的频率做出反应，发出清晰的声音，训练有素的耳朵可以识别出这是一个特定音符，从而估计出弦的特征。量子系统也是如此；激发光谱揭示了其内在特性的密切信息。因此，探索超固体的激发态，可以对这个有趣的阶段有新的、更深入的了解。研究人员观察到的反应符合与超固态有关的理论预测，这表明成功地观测到了超固态。其研究成果论文发表在《物理评论快报》上，专门研究了处于三维各向异性阱中，偶极玻色气体在超流体和超固体之间转变时的基本激发光谱。
通过研究系统对磁系统的反应，该研究向前迈出了重要的一步。一个系统的反应方式可以告诉你很多关于这个系统本身的信息。考虑一个人向一个系统扔石头的外部干扰就足够了，如果一个人把石头扔到海里或扔到墙上，反应会有多大的不同，当然这只是一个比喻。本研究的不是扔石头，而是系统的可压缩性。在研究中，科学家通过改变外部磁场的值，从本质上探索了由铒原子的量子气体在一个雪茄形状的光阱中，产生超固态的激发模式。
在这个实验装置中，密度调制沿着阱自发地出现，而系统保持在超流体状态。然后，研究人员通过在密度调制出现的同一方向上扰动陷阱，使整个系统处于激发状态。这导致了不同模式的激发，通过观察气体自身物质波干涉(通过使气体膨胀得到)模式随时间变化来探测模式的变化。在本研究中，科学家利用一种称为主成分分析的无模型统计分析方法，对观察到模式的时间演化过程，来识别不同的基本激发模式。最有意义的观察是：在超固体中同时存在两阶（晶体和超流体）转化为其基本激发光谱的显著特性。
过去的研究表明，在热力学极限(即在无限系统中)，晶体和超流体性质的存在在激发光谱中产生两个分支，每个分支都与一个阶有关。这导致模态要么是晶体结构的振动，要么是超流体的流动，在本研究中，研究人员在理论和实验上都表明，超固体光谱的这一关键特征，发生在只有少量晶体位置存在的实验室系统中。实验中观察到，当系统从常规超流体转变为超固体时，系统对全局磁响应会从一种模式转变为几种模式，这反映了系统中磁分支的多样性。
重要的是，当深入到超固体状态时，一类激发态的能量会降低，即，当相的超流体特性降低时，这种行为表征了在液滴阵列中诱导超流体流动的模式。虽然在玻色-爱因斯坦凝聚体系中，系统表现出一种普通的四极振荡，但在超固体体系中，产生了一种有趣的双频响应。这个响应与系统两个自发破坏的对称性有关。研究为超固态下超流体流动的可能性提供了证据，而其固体弹性是敏感的。然而，为了确定观测结果，研究人员还需要证明超流体流动的无旋性，例如通过观察涡旋。
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参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.050402
发表于 2020-7-8 21:32
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