量子氣體中首次實現二維超固體

科技日報柏林8月18日電 （記者李山）近日，奧地利和德國科學家合作，首次在偶極量子氣體中實現二維超固體。相關研究成果發表在《自然》雜誌上，為進一步研究這種非凡的物質狀態開創了新的機會。

超固體是物質的矛盾相，它既有晶體態中原子規則排布的特徵，又可以像超流體一樣無摩擦流動。兩年前，三個獨立研究團隊首次成功在三個涉及偶極原子量子氣體的實驗中觀察到了超固體的特徵。磁性原子的相互作用特性使得這種自相矛盾的物質量子力學狀態能夠在實驗室中產生。

其中，來自因斯布魯克大學實驗物理研究所和奧地利科學院量子光學與量子信息研究所的弗朗西斯卡·費爾萊諾教授領導的研究團隊證明了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。研究者利用磁性相互作用使原子將自身組織成液滴並以規則模式排列。

但是到目前為止，量子氣體中的超固體狀態僅能觀察到一系列液滴（沿一個維度）。現在，來自費爾萊諾研究團隊的馬太·諾爾恰説：“通過與兩位理論家，漢諾威大學的路易斯·桑托斯和因斯布魯克大學的魯塞爾·比塞特合作，我們成功將這種現象擴展到二維，創建了具有兩排或更多排液滴的系統。”

諾爾恰説：“通常你會認為每個原子都在某個液滴中，而不會改變位置。然而，在超固體狀態下，每個粒子在所有液滴中都是離域的，它同時存在於每個液滴中。因此，可以認為這是一個有許多高密度區域（液滴），並共享相同的離域原子的系統。”儘管存在空間秩序，但這種奇異的結構可以實現無摩擦流動等效果（超流動性）。

將量子氣體中的超固體狀態從一維拓展到二維，這不僅是數量上的差異，而且決定性地拓寬了研究視野。例如，在二維超固體系統中，人們可以研究渦流是如何在幾個相鄰液滴之間的開口中形成的。已在展望未來的弗朗西斯卡·費爾萊諾説：“這些理論上描述的渦流尚未得到證實，但它們代表了超流體的重要後果。”