超固體：存在於理論上的物質形態

科學家們觀察到了一種存在於理論上的物質形態——超固體，雖然它只在實驗室環境下存在了極短時間。

超固體的概念最早在1969年由俄國物理學家Alexander Andreev和Ilya Liftshitz提出，是一種空間有序(比如固體或晶體)的材料，但同時還具有超流動性。換而言之，聽起來有點矛盾，構成超固體材料的原子在空間上具有類似於晶體結構，同時體現了液態的超流體特性——超流體具有零黏性。

數十年來，科學家們一直在研究超固體，試圖在現實世界中創造出超固體材料，主要手段是使用被稱為超流體氦-4的氦同位素。

然而，儘管諸多努力——包括2004年曾有科學家宣稱成功地製造了超固體——但一直缺少氦-4實驗成功的過硬證據。

還存在另一種可能方法，最近的方向集中在超冷量子氣體，如玻色—愛因斯坦凝聚體(BECs)。在這些冷凝物中，構成氣體的顆粒變得如此冷，開始顯示出超固體特性。

「最近的實驗表明，這種氣體與超流氦具有基本的相似性。」奧地利因斯布魯克大學的實驗物理學家Lauriane Chomaz說，他是該研究的第一作者。

「它們的特性使其可以進入某種狀態，在這個狀態下，成千上萬的氣體原子自發地組織成晶格結構，同時具有相同的宏觀波函數——超固體的特徵。」

在新實驗中，Chomaz和其他研究人員使用兩種量子氣體，產生了鉺(鉺-166)和鏑(鏑-164)同位素的BEC。

這兩種氣體都具有強烈的偶極相互作用，在超低溫下得到充分調整後會促進原子團形成「液滴」——類似的結構本身會促發超固體性。

「近幾年，研究人員已經知道這些BEC具有超固體的特性。」未參與研究的蘇黎世聯邦理工學院的量子研究員Tobias Donner解釋道，「首先，它們是超流體。其次，在某些條件下，原子被分割到幾個緻密液滴中，給予必要的密度調節。」

雖然鉺-166和鏑-164都是誘導超固體行為的良好候選者，但研究小組的結果顯示，兩種氣體並不完全一樣。

在使用鉺同位素的實驗中，觀察到的超固體狀態是「短暫的」，高級研究員Francesca Ferlaino解釋說；相比之下，鏑BEC的超固體表現出「前所未有的穩定性」。

「通過緩慢的相互作用調整到相位，從穩定的冷凝物開始，我們觀察到，鉺-166和鏑-164的超固體壽命存在顯著的差異，這是由於兩個系統中的原子損失率不同。」作者在論文中寫道，「事實上，在鉺-166中，超固體行為僅存在了幾十毫秒，我們在鏑-164中觀察到相干密度調製超過150毫秒。」

當然，150毫秒對你我來說似乎也不算漫長，但對於一種令人難以置信的和准不可能的奇異物質形態，它實際上「非常長壽」。

儘管如此，研究人員仍然沒有宣布它們就是我們一直在尋找的超固體，只是將這項工作描述為「在超冷稀溶原子氣體中存在這種特徵狀態的證據」。

不過，找到更「實體」的證據，可能只是時間問題。

具體的研究內容可見於Physical Review X。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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