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    Nature:神秘超固体,寻觅五十年

    2017年3月20日 作者:知社学术圈

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    Nature 三月份同期发表两篇背靠背文章,来自瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)以及美国麻省理工学院(MIT)的物理学家们或已找到半个世纪前理论上预测的神秘物态:超固体

    对于很多人来说,看到超固体(supersolid),第一印象就是超级坚固的固体,如同超市就是超级市场,超人就是超级牛叉的人(尽管不是地球人),而且字面意思也是“超级+坚固”。然而事实并非如此,超固体其实对应的是超流体(superfluid),指的是一种具备超流特性的固体,也就是集“超流体+固体”特性于一身的物质。简单来说就是超固体既有晶体态中原子规则排布的特征,又可以像超流体一样无摩擦流动。

    固体、液体、超流体

    我们都知道地球上比较常见的基本物态有四种,固体、液体、气体和等离子体。这四种物态泾渭分明,性质迥异。以固体和液体为例:固体中原子结合紧密,不易形变。典型的固体是晶体,其基本特征是组分原子规则排列形成有规律的平移不变的结构。而液体中粒子通过范德华力结合,有一定的自由度,易于形变。液体的一个鲜明特性是可以流动,其流动性由粘滞系数表征,系数越强则流动性越差。人们一直以为自然界中的液体都带有一定的粘性,直到1938年俄罗斯物理学家Pyotr Kapitsa与来自英国的 John Allen, Don Misener 各自独立测量极低温下(低于–270.92摄氏度)液氦的粘滞系数,发现其数值极其小,甚至比当时人们普遍认为数值最小的氢气的系数小一万倍,近乎为零。Kapitsa 通过类比超导体(superconductor)将之命名为超流体(superfluid)。纯粹的超流体粘滞系数为零,流动时没有任何摩擦力,如果将其放置于容器中,它甚至能从容器壁向上流出。 "假如你的咖啡是由超流体制成的,然后你在咖啡杯中轻轻搅动它,你的咖啡就会永无止尽的转动下去。"

    超固体图示,在超固体中无摩擦力流动性与晶体态同时存在。Credit: ETH Zurich / Julian Léonard

    寻找超固体

    超固体的概念最早是由A. F. Andreev和I. M. Lifshitz在1969年在理论上提出,随后G. V. Chester和A. J. Leggett与1970年也分别讨论其存在的可能性。然而实验上却一直并无主要的进展。实验上的困难其实并不难理解,毕竟就算是超流体也十分难实现,一方面极低温的条件本身就十分困难,另一方面能够实现超流的系统也十分稀少。人们一度对于固体氦寄予厚望,液氦低温下是超流体,那么其固体相表现出超流特性也顺理成章。

    2004年美国宾州州立大学的实验小组在Nature上撰文,他们将氦冷却到绝对零度以上不到0.1度的极低温时发现疑似超固体的特征。然而这个小组并不百分百确信他们发现的就是超固体,其中主要原因在于他们无法排除容器内存在有一个液体薄层从而最终可以影响他们的结论。一些后续实验也似乎坐实了超固体还未被发现这一结论,人们发现氦4在某种特定条件下表现出某种“量子可塑性”,这显然非“超固”现象所导致。

    科学界主流很大程度上相信2004年的实验并没有真正发现超固体。在接下来的数年里相关研究也逐渐冷却下来。

    新的曙光

    然而到了2016年11月份,这次不是一个而是两个独立的实验小组都在arXiv上声称他们完成了实验室中实现超固体这一壮举!

    这两个小组分别来自美国麻省理工学院和瑞士苏黎世理工学院。尽管他们采用了不同的实验手段,但是他们不约而同的使用了同一种系统来实现超固体:一种奇怪的被称为“玻色爱因斯坦凝聚体”的气体。

    玻色爱因斯坦凝聚体是一种出现在超冷温度下的奇异物态,在如此低的温度下原子的量子特性变得极其明显,展现出明显的波动性。凝聚体有他们自己的独特属性,不过用它们制备超固体的一个巨大好处是它们是超流体,所以使用它们相当于工作已经完成了一半。

    两个实验小组都采用了这种超冷气体但是不太相同的实验技巧,将气体制备至奇特的量子相:一方面具备了如固体般的晶格结构,另一方面又保留了超流特性。

    两个独立研究成果先公布于预印本服务器arXiv.org。随后经过同行评议后正式发表于Nature。这两个工作为我们提供了迄今为止最为坚实的证据:超固体确实存在!

    瑞士研究组采用了少量的铷气体,并将它们放置于一个真空室中,然后冷却温度至10-9K这个量级,使得它们形成玻色爱因斯坦凝聚体。随后他们将凝聚体放置于带有两个光学共振腔的装置中,每一个都各自带有两个相对的小镜子。通过使用激光,粒子最终形成一个规律的晶体状的固体结构,但是凝聚体同时还保存了其超流特性-无需额外能量就可以持续流动-这显然在一个一般的固体中不可能实现。

    图为ETH小组的实验设置,四个镜子拍成相对的两组,各自形成一个光学谐振腔。Credit: ETH Zurich

    MIT实验小组则采用一个完全不同的办法。他们采用一组激光,并采用蒸发冷却的方式将钠原子制备成玻色爱因斯坦凝聚体。随后利用激光来调控凝聚体,通过制造出原子的密度差异使得凝聚体表现出晶体排列。

    图为MIT Ketterle 实验组用于实验超固体的仪器。Credit: Massachusetts Institute of Technology

    尽管两个实验小组的过程不尽相同,最终的结果却都是一样的:固体物质如同超流体一样流动!同时,两个独立研究组得出相同结论使得人们更加相信超固体确实存在。

    后记

    莱斯大学物理与天文系教授Kaden R. A. Hazzard认为,这是重要的进展,但是超固体的未来研究仍然充满挑战。MIT小组使用激光的升温速率很大,这有可能对他们的观测产生很大的影响。在两个实验中,超固体究竟多大程度上处于热力学平衡态,如果没有那又会有怎样的新物理。这些都值得人们去进一步探索。而且,应该更进一步探测超固体特征序对于外界刺激的响应。它们是刚性的么?它们是否支持零粘滞系数流动,如果是的话,需要什么样的条件?ETH小组的研究系统缺乏短程关联系统变得有序时产生的低能激发,这点又会带给超固体什么特性呢?

    对于我们大多数人说,这种潜在的新物质态有什么特别的意义么?目前来说,并没有。这种新物质态只能存在于极低温且超高真空条件下,这意味着至少目前我们还无法将其应用普遍化。不过更深入的理解这些奇异的物态能够最终帮我们发展超导体,而电阻为零的超导体却是实实在在非常有用的材料。

    MIT实验小组的Ketterle说:“通过冷原子,我们可以发现究竟哪些是可以真实存在的。”“既然现在我们已经在实验上证实了理论上预言的超固体是存在的,我们希望能够借此激发更深入的研究,而那些或许能带给我们完全意料不到的结果。”

    尽管两个实验组同时间发表他们的结论看上去竞争意味颇浓,但是双方都十分欢迎彼此的印证的反馈。Ketterle强调“从两个组同时实现超固体这件事可以看出大家对这种新物质态都充满浓厚兴趣”。

    详情请见

    Jun-Ru Li et al, A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates,Nature 543, 91–94(2017)

    Julian Léonard et al, Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry, Nature 543, 87–90 (2017)

    Kaden R. A. Hazzard, Quantum physics: A solid more fluid than a fluid, Nature 543, 47–48 (2017)

    Julia C. Keller, Researchers create new form of matter—supersolid is crystalline and superfluid at the same time,

    Felix Würsten, Researchers obtain supersolidity state experimentally, https://phys.org/news/2017-03-supersolidity-state-experimentally.html#jCp

    FIONA MACDONALD, Physicists Say They've Created an 'Impossible' New Form of Matter: Supersolids,

    参考文献

    John Beamish,Viewpoint: Supersolidity or quantum plasticity? Physics 3, 51(2010)

    Andreev, A. F. & Lifshitz, I. M. Quantum theory of defects in crystals. Sov. Phys. JETP 29, 1107?1113 (1969)

    Chester, G. V. Speculations on Bose-Einstein condensation and quantum crystals. Phys. Rev. A 2, 256?258 (1970)

    Leggett, A. J. Can a solid be "superfluid"? Phys. Rev. Lett.25, 1543?1546 (1970)

    E. Kim & M. H. W. Chan,Probable observation of a supersolid helium phase,Nature 427, 225-227 (15 January 2004)

    Kapitza, P. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point,

    Nature, 141, Issue 3558, pp. 74 (1938)

    扩展阅读

    希尔伯特著名的第六问题 – 原来麦克斯韦早就有解?

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