很神奇,它既是晶體又是超流體!
2021-01-18 天文物理
超固體，具有超流體性質的固體材料，其中一種物質可以以零粘度流動，現在已成為眾多物理學研究的焦點。超固體是物質的矛盾相，其中兩個截然不同、有些對立的順序共存，導致物質既是晶體又是超流體。超堅固性最初是在20世紀60年代末被預測出來，現在已經逐漸成為越來越多研究的焦點，引發了不同科學領域的爭論。例如，幾年前，一組研究人員發表了有爭議的研究結果，他們在固態氦中發現了這種相，但後來作者自己否認了這一說法。
這項研究的一個關鍵問題是，沒有考慮到氦的複雜性，以及它有時可能產生不可靠的觀測結果。此外，在原子中，相互作用通常是非常強和穩定的，這使得這個階段更難發生。偶極量子氣體位於固態氦等結構的另一個極端，因為它們是由氣相中的超冷磁性原子冷卻到微毫開爾文溫度構成。
因此，在這些氣體中，原子之間的相互作用微弱，但它們也是遠距離的，並且可以通過外部控制的磁場進行調節。由於量子氣體具有高度的可調諧性，幾年前，量子氣體開始更頻繁地出現在超固態理論中。第一個實驗是用氣體與光場耦合，實驗顯示了具有超固態性質的狀態，但在這些狀態下，固體仍然是不可壓縮的。
現在三個研究小組(一個由Tilman Pfau領導的德國小組，一個由Giovanni Modugno領導的義大利小組，以及一個由Francesca Ferlaino領導的Innsbruck大學和Institut fur Quantenoptik und Quanteninformation的研究小組)同時發表了對具有超固體性質狀態的觀察。innsbrucucs的研究人員表示：我們能夠證明，在特定的相互作用條件下，磁性氣體經歷了向超固態的相變。表現出兩種自發密度調製(即自發密度調製)，晶體和全局相位相干性。
值得注意的是，超固體性質真正來自於裸粒子間的相互作用，它們具有很強的偶極-偶極貢獻。在此基礎上，弗朗西斯卡·法萊諾(Francesca Farlaino)領導的研究小組開展了一項新研究，對捕獲偶極超固體的激發光譜進行了研究，獲得了有趣的新觀測結果。這項研究是揭示物質超固態如何響應激發態的重要一步。要探測超固體性，重要的是要證明系統超流體和晶體性質對擾動的反應不同。更普遍地說，在量子物理學中，任何系統都有其固有的激發模式，用來描述它對擾動的響應。
例如，一根被拉緊的吉他弦，只以給定的頻率做出反應，發出清晰的聲音，訓練有素的耳朵可以識別出這是一個特定音符，從而估計出弦的特徵。量子系統也是如此；激發光譜揭示了其內在特性的密切信息。因此，探索超固體的激發態，可以對這個有趣的階段有新的、更深入的了解。研究人員觀察到的反應符合與超固態有關的理論預測，這表明成功地觀測到了超固態。其研究成果論文發表在《物理評論快報》上，專門研究了處於三維各向異性阱中，偶極玻色氣體在超流體和超固體之間轉變時的基本激發光譜。
通過研究系統對磁系統的反應，該研究向前邁出了重要的一步。一個系統的反應方式可以告訴你很多關於這個系統本身的信息。考慮一個人向一個系統扔石頭的外部幹擾就足夠了，如果一個人把石頭扔到海裡或扔到牆上，反應會有多大的不同，當然這只是一個比喻。本研究的不是扔石頭，而是系統的可壓縮性。在研究中，科學家通過改變外部磁場的值，從本質上探索了由鉺原子的量子氣體在一個雪茄形狀的光阱中，產生超固態的激發模式。
在這個實驗裝置中，密度調製沿著阱自發地出現，而系統保持在超流體狀態。然後，研究人員通過在密度調製出現的同一方向上擾動陷阱，使整個系統處於激發狀態。這導致了不同模式的激發，通過觀察氣體自身物質波幹涉(通過使氣體膨脹得到)模式隨時間變化來探測模式的變化。在本研究中，科學家利用一種稱為主成分分析的無模型統計分析方法，對觀察到模式的時間演化過程，來識別不同的基本激發模式。最有意義的觀察是：在超固體中同時存在兩階（晶體和超流體）轉化為其基本激發光譜的顯著特性。
過去的研究表明，在熱力學極限(即在無限系統中)，晶體和超流體性質的存在在激發光譜中產生兩個分支，每個分支都與一個階有關。這導致模態要麼是晶體結構的振動，要麼是超流體的流動，在本研究中，研究人員在理論和實驗上都表明，超固體光譜的這一關鍵特徵，發生在只有少量晶體位置存在的實驗室系統中。實驗中觀察到，當系統從常規超流體轉變為超固體時，系統對全局磁響應會從一種模式轉變為幾種模式，這反映了系統中磁分支的多樣性。
重要的是，當深入到超固體狀態時，一類激發態的能量會降低，即，當相的超流體特性降低時，這種行為表徵了在液滴陣列中誘導超流體流動的模式。雖然在玻色-愛因斯坦凝聚體系中，系統表現出一種普通的四極振蕩，但在超固體體系中，產生了一種有趣的雙頻響應。這個響應與系統兩個自發破壞的對稱性有關。研究為超固態下超流體流動的可能性提供了證據，而其固體彈性是敏感的。然而，為了確定觀測結果，研究人員還需要證明超流體流動的無旋性，例如通過觀察渦旋。
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參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.050402
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