科学家成功打造性质独特的二维“超固体”

二维超固体想象图（来自：UIBK）

本质上讲，超固体的原子排列与普通固体一样，都处于刚性的晶体结构中。在在此基础上，超固体还允许原子像超流体（superfluid）一样，以零粘度的方式流动。

尽管听起来与常理相悖，但自 1960 年代以来，科学家们就一直认为超固体在理论上是可能存在的。尽管直到 2017 年，它才终于得到了实验证实。

研究配图 – 1：偶极液滴阵列的计算相位

为制造出超固体，几支研究团队使用了处于玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的物质。其由冷却到几乎为绝对零度的低密度原子气体云组成，并且表现出了奇怪的量子特性。

通常情况下，我们无法在如此大的范围内观察到。但 BEC 中的所有原子，就是同时存在于云中的每个点位，这种现象又被称作离域化（delocalization）。

研究配图 – 2：各向异性陷阱中的线性到锯齿形转变

在之前的实验中，超固体只是一维的，因而原子只能沿一个方向流动。

现在，因斯布鲁克团队为它们增加了一个全新的维度，使之从沿着“一根绳子”移动、升级到了可在“一张纸面”上移动。

研究配图 – 3：线性和锯齿状态的相干性

实验中选用了镝原子组成的 BEC，原子之间的磁相互作用，使之自主排列形成了基于液滴的网格。

研究作者 Matthew Norcia 指出：“通常情况下，你会认为每个原子都存在于一个特定的液滴中，而无法在它们之间找到”。

扩展数据 – 1：陷印图像的傅立叶变换

然而在超固体物质状态下，每个粒子都在所有液滴中离域，同时存在于每个液滴中。这样就有了一个具有一系列高密度区域（液滴）区域的系统，且这些区域都共享相同的离域原子。

研究团队称，这项研究突破使得物理学家们能够超脱以往的一维环境，为更高维的量子怪异性研究敞开了新的大门。

扩展数据 – 2：超两行的超固体液滴阵列

“例如，在二维超固体系统中，人们可以研究涡流是如何在几个相邻液滴之间的孔中形成的。虽然这些理论上描述的涡流尚未得到证实，但这种超流体性质，仍有望催生更具突破性的重要研究成果”。

扩展数据 – 3：更大和各向同性的液滴阵列

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然》（Nature）杂志上，原标题为《Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas》。