預言成真:量子氣體產生超固態特性

北京時間4月29日消息，據國外媒體報導，超固態是一種十分矛盾的物質狀態。處於這種狀態的物質同時具有晶體和超流體的雙重性質。科學家最早於50年前預測過它的存在。這種物質狀態堪稱反直覺，具有一系列相當對立的特性。長時間以來，科學家一直試圖在超流體氦中尋找它的蹤影。但在數十年的理論和實驗研究後，科學家仍然無法在這些系統中找到能證明超固態存在的確鑿證據。不過，由弗朗西斯卡·費爾萊諾（Francesca Ferlaino）領導的兩支研究團隊（一支位於奧地利因斯布魯克大學實驗物理研究所，另一支位於奧地利科學院量子光學與量子信息研究所）最近報告稱，他們在超冷原子氣體中觀察到了這種奇異物態的標誌性現象。

到目前為止，大多數科學家都將氦作為重點研究對象。但研究人員最近將注意力轉向了原子氣體，尤其存在較強偶極相互作用的氣體。弗朗西斯卡·費爾萊諾的團隊研究具有強偶極性的原子形成的量子氣體已有很長時間。「近期實驗顯示，這類氣體與超流體氦存在重大相似性。」洛裡安·舍瑪茲（Lauriane Chomaz）談到過去幾年在因斯布魯克和德國斯圖加特取得的一系列實驗成果時這樣說道，「這些特徵為我們實現這種奇異物態打下了堅實基礎。物體達到這種狀態後，成千上萬的氣體粒子便會同時自發組織形成晶體結構，且所有粒子的宏觀波函數都完全相同——這就是超固態的關鍵標誌。」

因斯布魯克的研究人員通過微調鉺和鏑量子氣體粒子之間的相互作用強度，實驗性地創造出了能夠表現出超固態特徵的物質狀態。「在鉺形成的量子氣體中，這種超固態表現稍縱即逝，和最近在比薩和斯圖加特開展的實驗一樣。但鏑形成的量子氣體則達到了前所未有的穩定度。」弗朗西斯卡·費爾萊諾指出，「這種超固態表現不僅維持了很長時間，而且可以直接通過蒸發降溫達到這種狀態。」就像衝熱茶吹氣、讓茶水冷卻下來一樣，降溫的原理都是將攜帶大多數能量的粒子驅除，這樣氣體就會逐漸降溫，最終達到量子簡併靜止狀態，並在達到熱平衡時產生超固態性質。

這為今後開展的實驗和理論研究提供了令人激動的新契機，因為通過這套實驗設置取得的超固態幾乎不受逸散力學或激發所影響，因此為探索其激發光譜和超流體行為鋪平了道路。這項研究工作由奧地利科學基金會、奧地利科學院及歐盟提供資助。