超固体：一种既是晶体又是超流体的新物质形态

近日，MIT的物理学家又创造出一种新的物质形态：超固体。这种物质形态同时具备了固体的和超流体的性质。

研究人员用激光操纵处于玻色-爱因斯坦凝聚的气态超流体，使它们同时进入于一种全新的量子态中——超固态。这种量子态具有晶格结构，同时还拥有超流体本身的无粘性流动特性。

理解这种明显矛盾的物质状态可以帮助我们更好地理解超流和超导的性质，从而极大促进超导磁体，超导传感器以及能量传输等行业的发展。该项研究发表在这周的《自然》杂志上。

Wolfgang Ketterle 是麻省理工学院物理系的MacAurhur教授，也是整个团队的领导者。他说“超固体既能流动又有固体的结构，这的确很反常识。当你搅拌一杯具有超流性的咖啡时，咖啡会永远旋转下去。”

物理学家们曾经预测会有超固体的存在，但迄今为止仍未在实验室发现过它的存在。有人从理论上提出，如果可以在低温条件下，让处于超流体状态下的氦原子绕着氦晶体运动，从而形成等效意义上的超固体，然而从实验层面上来看，这个结果能否实现完全无法预知。

Ketterle团队没有用氦原子，而是用钠原子实现了超固体。由于自旋数总和为偶数，钠原子是一种玻色子，当玻色子被冷却到接近绝对零度时就会发生玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），形成超流体。

Ketterle本人是波色-爱因斯坦凝聚态的发现者之一，凭借这个发现他获得了2001年的诺贝尔物理奖。

这次实验中，研究团队用了另一个看家技术，通过激光冷却和蒸发冷却将钠原子冷却到了纳凯尔文（十亿分之一度）的级别。

Ketterle表示，整个实验中最大的挑战是从超流向超固的转变。

之前的理论现实，BEC态中的原子如果发生“自旋-轨道耦合”（spin-orbit coupling，即粒子的自旋和运动之间产生相互作用），便会因为自发的“密度调制”而产生固体的晶格结构。

因此，为了得到超固体，团队用激光操控原子的运动，使它们发生“自旋-轨道耦合”。他们在超高真空腔中，用一组激光建立了超晶格势阱，使得BEC状态下一半的钠原子进入了另一个量子自旋态。接下来，另一束激光束被用来不断将两组原子的自旋方向不停地翻转。

简单来说，Ketterle团队把两组不同的BEC态叠加到了一起，产生了周期性的晶格结构。这时系统的平移对称性被破坏，系统密度也普通的晶体一样，不再是连续的，而是会有波一样的样式分布，这个分布即所谓的“带相”。

对“密度调制”的观察由MIT物理系的博士生Junru Li负责，他是该篇论文的第一作者。

“对系统的密度调制进行观察是（实验中）最困难的部分，”Junru Li 说，“其实原理很简单，用另一束激光照射系统，密度的不均匀分布会使激光发生布拉格衍射。困难的地方在实验细节上面，比如需要精确地调整激光，且使整个系统处于稳定的状态以便观察，任何小的差错都可能毁掉整个实验。”

超固体是否存于自然？

目前，超固体只有在极低的温度和超高的真空环境中才能实现。Ketterle打算做更多的实验，来完善他们对这种新物质形态的理解。

“我们用这些冷原子，逐步揭开了自然的种种可能性，”Ketterle解释说，“我们的实验证明了对超固体的预言是正确的，我们也希望以后的研究可以获得更多的意想不到的结果。”

同一期《自然》杂志上还发表了瑞士一个研究团队的结果，他们用另一种方法也得到了超固体。“两个团队同时发现超固体，说明这种新物质形态具有极大的魅力。”Ketterle说道。

（据微信公众号：DeepTech深科技）

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