超固体：兼具固体有序性与超流体零粘度的物质状态

超固体：兼具固体有序性与超流体零粘度的物质状态

超固体是凝聚态物理学中的一个前沿研究领域，它结合了固体的有序性和超流体的零粘度流动特性。从1960年代开始，科学家们就一直在探索这种独特的物质状态。本文将带你了解超固体的定义、实验研究进展以及理论解释。

超固体

在凝聚态物理学中，超固体是具有超流体特性的空间有序材料。就氦-4而言，自1960年代以来就有人猜测它有可能创造出超固体。从2017年开始，使用原子玻色-爱因斯坦凝聚态的几项实验为这种状态的存在提供了明确的证据。在某种物质中出现超固体所需的一般条件是正在进行的研究课题。

背景

超固体是一种特殊的物质量子态，其中粒子形成刚性、空间有序的结构，但也以零粘度流动。这与直觉相矛盾，即流动，特别是零粘度的超流体流动，是流体状态独有的特性，例如，超导电子和中子流体，具有玻色-爱因斯坦凝聚体的气体，或非常规液体，如氦-4或氦-3在足够低的温度下。50多年来，人们一直不清楚是否存在超固态。

使用氦气的实验

虽然几项实验都产生了负面结果，但在80年代，约翰·古德金德（John Goodkind）使用超声波发现了固体中的异常现象。受到他的观察的启发，宾夕法尼亚州立大学的Eun-Seong Kim和Moses Chan在2004年看到了被解释为超固体行为的现象。具体来说，他们观察到扭转振荡器的非经典转动惯量。这一观察结果无法用经典模型解释，但与振荡器中一小部分氦原子的超流体行为一致。

这一观察引发了大量后续研究，以揭示晶体缺陷或氦-3杂质所起的作用。进一步的实验对氦中是否存在真正的超固体提出了一些疑问。最重要的是，事实证明，观察到的现象在很大程度上可以用氦的弹性特性的变化来解释。2012年，陈用一种旨在消除任何此类贡献的新设备重复了他最初的实验。在这个实验中，Chan和他的合作者没有发现超固体的证据。

使用超冷量子气体的实验

两个自旋轨道耦合晶格位置上的原子之间的干涉产生了特征密度调制。

在这些系统中，超固体直接从原子相互作用中产生，不需要外部光学晶格。这也促进了对超流体流动的直接观察，从而为超固态物质的存在提供了明确的证据。

2021年，镝被用于制造二维超固体量子气体。2022年，同一个团队在圆形陷阱中创造了一个超固体圆盘。

2021年，共焦腔量子电动力学与玻色-爱因斯坦凝聚体被用于创造一种超固体，该超固体具有固体的关键特性——振动。也就是说，创建了一个超固体，它拥有具有Goldstone模式色散的晶格声子，显示出16厘米/秒的声速。

理论

在大多数关于这种状态的理论中，假设空位——理想晶体中通常被粒子占据的空位——会导致超固态。这些空位是由零点能量引起的，这也导致它们像波浪一样从一个地方移动到另一个地方。因为空位是玻色子，如果这种空位云可以在非常低的温度下存在，那么空位的玻色-爱因斯坦凝聚可能会在低于十分之几开尔文的温度下发生。相干的空位流相当于相反方向的粒子超流（无摩擦流）。尽管存在空位气体，但仍保持晶体的有序结构，尽管平均每个晶格位置上的粒子少于一个。或者，超固体也可以从超流体中产生。在这种情况下，这是在原子玻色-爱因斯坦凝聚体的实验中实现的。