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超固体:存在于理论上的物质形态

科学家们观察到了一种存在于理论上的物质形态——超固体,虽然它只在实验室环境下存在了极短时间。

超固体:存在于理论上的物质形态

超固体的概念最早在1969年由俄国物理学家Alexander Andreev和Ilya Liftshitz提出,是一种空间有序(比如固体或晶体)的材料,但同时还具有超流动性。换而言之,听起来有点矛盾,构成超固体材料的原子在空间上具有类似于晶体结构,同时体现了液态的超流体特性——超流体具有零黏性。

数十年来,科学家们一直在研究超固体,试图在现实世界中创造出超固体材料,主要手段是使用被称为超流体氦-4的氦同位素。

然而,尽管诸多努力——包括2004年曾有科学家宣称成功地制造了超固体——但一直缺少氦-4实验成功的过硬证据。

还存在另一种可能方法,最近的方向集中在超冷量子气体,如玻色—爱因斯坦凝聚体(BECs)。在这些冷凝物中,构成气体的颗粒变得如此冷,开始显示出超固体特性。

“最近的实验表明,这种气体与超流氦具有基本的相似性。”奥地利因斯布鲁克大学的实验物理学家Lauriane Chomaz说,他是该研究的第一作者。

“它们的特性使其可以进入某种状态,在这个状态下,成千上万的气体原子自发地组织成晶格结构,同时具有相同的宏观波函数——超固体的特征。”

在新实验中,Chomaz和其他研究人员使用两种量子气体,产生了铒(铒-166)和镝(镝-164)同位素的BEC。

这两种气体都具有强烈的偶极相互作用,在超低温下得到充分调整后会促进原子团形成“液滴”——类似的结构本身会促发超固体性。

“近几年,研究人员已经知道这些BEC具有超固体的特性。”未参与研究的苏黎世联邦理工学院的量子研究员Tobias Donner解释道,“首先,它们是超流体。其次,在某些条件下,原子被分割到几个致密液滴中,给予必要的密度调节。”

虽然铒-166和镝-164都是诱导超固体行为的良好候选者,但研究小组的结果显示,两种气体并不完全一样。

在使用铒同位素的实验中,观察到的超固体状态是“短暂的”,高级研究员Francesca Ferlaino解释说;相比之下,镝BEC的超固体表现出“前所未有的稳定性”。

“通过缓慢的相互作用调整到相位,从稳定的冷凝物开始,我们观察到,铒-166和镝-164的超固体寿命存在显著的差异,这是由于两个系统中的原子损失率不同。”作者在论文中写道,“事实上,在铒-166中,超固体行为仅存在了几十毫秒,我们在镝-164中观察到相干密度调制超过150毫秒。”

当然,150毫秒对你我来说似乎也不算漫长,但对于一种令人难以置信的和准不可能的奇异物质形态,它实际上“非常长寿”。

尽管如此,研究人员仍然没有宣布它们就是我们一直在寻找的超固体,只是将这项工作描述为“在超冷稀溶原子气体中存在这种特征状态的证据”。

不过,找到更“实体”的证据,可能只是时间问题。

具体的研究内容可见于Physical Review X。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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