科學家證實玻色–愛因斯坦凝聚態（Bose Einstein condensate，簡稱BEC）的存在至今已有20多年時間。事實證明，BEC的最佳應用之一，是可以探索其他量子事物，比如固體——沒錯，固體的特性是由量子力學決定的。
在那些固體中，有一種富有爭議、有可能並不存在、目前還停留在理論階段的固體：超固體。現在，兩位理論物理學家證明，研究人員最近觀察到的BEC「液滴」，也許是製備類超固體材料的一種方法。這可能為我們帶來了一種探索超固體特性的途徑，同時也繞開了與傳統材料有關的種種困難。
玻色–愛因斯坦凝聚態
BEC是一種需要特定類型粒子才能獲得的物質狀態。粒子世界基本上可以分為兩個陣營：要麼是費米子，要麼是玻色子。費米子彼此看不順眼，所以它們會按照從低能量到高能量的順序積聚起來。任何兩個彼此夠得著的費米子必然是不同的，那可能意味著不同的能量狀態，不同的自旋，或者其他一些不同的特性，但它們必須是不同的才行。幾乎所有事物都是由費米子組成的，宇宙之所以是現在這個樣子，就是由費米子的積聚方式決定的。
玻色子與此不同。它們樂於待在一起，並在同一狀態下「聚會」。它們不僅不介意擁有相同的狀態，而且它們喜歡這樣。如果幾個玻色子發現自己處在同一狀態，它們會立刻「呼朋喚友」，讓朋友們也加入進來。而且，如果玻色子有辦法產生足夠的能量，它們一定會那樣做。其結果就是，我們能夠相對容易地製備非常冷的玻色子氣體，它們都處於完全相同的量子狀態，也就是BEC。
然而，並非所有的玻色子和BEC都是相同的。儘管玻色子喜歡處於同一狀態，但大多數玻色子都是複合粒子，也就是說，它們的一些組成部分是費米子。因此，也會有一些力量在發揮作用，試圖把原子驅逐出BEC。把BEC聚合在一起的引力以及試圖把它打散的斥力，這兩種力之間的相對強度是受到實驗控制的。
怪異的固體
對BEC進行觀察時，我們發現了一個略顯怪異的現象：當條件合適時，某些類型的BEC會形成液滴陣列。我們已經觀測到，它們會形成一系列具有相對高密度、間隔均勻的球體，但我們不知道它們為何會如此。此外，我們也不知道那些液滴具有何種特性。
對這種現象進行了合理透徹的探究之後，兩位理論物理學家回答了其中的一些問題。首先，液滴的形成代表著力的平衡。如前所述，一邊有把BEC聚合在一起的引力，另一邊有把它打散的斥力。對於那些能夠形成液滴的BEC類型，斥力不僅會隨著密度的變化而變化，還跟原子序數存在密切關聯。少數原子可以緊密結合在一起，但這個數字不能太大，否則原子就會被打散。這意味著，BEC形成了一些高密度的液滴，而它們全都相互排斥。把它們放到用來控制BEC的陷阱裡，我們就能得到一個漂亮整齊的二維液滴陣列。
研究人員想弄明白，液滴是否仍然是同一個BEC的組成部分。BEC之所以能成為單一實體，是因為其原子之間的一種集體行為。然而，那種集體行為要求不同的BEC液滴連接在一起，而這種連接的表現形式就是原子在它們之間移動。
研究人員已經證明，如果陷阱把液滴壓在一起，原子會在不同的液滴之間有規律地移動，這將讓BEC得以維持其集體行為。
但重要的是，他們發現，在這種情況下，BEC會表現得像一個超固體。但隨著液滴遠離彼此，原子無法繼續在液滴之間移動。到了那個時候，BEC就不再表現得像一個超固體了。
這種超固體狀態的轉變非常重要，因為目前，超固體仍然存在爭議。超固體屬於固體，也就是說，它們能像普通固體一樣保持自己的形狀。但超固體也有一些奇怪的特性，比如，它能毫無摩擦力地沿著某個平面滑動。有幾位實驗科學家聲稱，他們已經觀察到了超固態，不過，他們的實驗尚不明確，缺乏說服力。
如今，我們擁有了一件工具，可以細緻地研究超固體的形式及其相變，並徹底探究超固態的特性。有了它的幫助，對於傳統固態實驗得出的結論，無論是反駁或是支持，我們都應該更容易做出評判。
翻譯：何無魚
審校：李莉
編輯：漫倩
來源：Ars Technica