新發現！超固體中的量子龍捲風_風聞

微觀渦旋的新觀測結果證實了一種矛盾物質形態的存在，該形態也可能出現在中子星內部。

超固體旋轉時，會自發形成漩渦。

奧地利阿爾卑斯山崎嶇的山巒之間，坐落着一座實驗室。在實驗室中，稀土金屬在爐中迅速氣化，以戰鬥機般的速度從爐中噴射而出。隨後，激光與磁脈衝將氣體速度減緩至近乎靜止的狀態，並使其降温到低於深空的温度。氣體中大約5萬個原子在此過程中失去獨立性，形成一個單一狀態的整體。最後，只需輕輕轉動周圍施加的磁場，迷你“龍捲風”便在黑暗中盤旋而生，翩翩起舞。

三年以來，物理學家弗朗西斯卡·費爾萊諾（Francesca Ferlaino）攜她領導的因斯布魯克大學團隊，致力於捕捉這些量子尺度的漩渦的動態影像。今年夏天，在參觀她的實驗室時，費爾萊諾表示：“很多人告訴我這是不可能拍攝到的。但我堅信，我們一定能成功。”

如今，該團隊在《自然》期刊上發表了一篇論文，發佈了漩渦的快照，證實了人們苦尋不獲的奇異的超固體物質的存在。

超固體是一種矛盾的物質狀態，既是最堅硬的固體，又是流動性最強的液體。自1957年被預測存在以來，就令凝聚態物理學家着迷不已。儘管該相存在的跡象層出不窮，但這項新實驗為其存在提供了最後一份重要證據。作者認為，超固體中形成的漩渦有助於解釋從高温超導體到天體等多種系統的特性。

這些漩渦有可能揭示物質在宇宙中某些極端條件下的狀態。脈衝星是旋轉的中子星，是恆星燃燒殆盡後形成的密度極高的殘骸。科學家們懷疑，脈衝星內部可能是超固體。“這實際上是一個非常好的中子星模擬系統，我對此感到激動，”英國倫敦皇家霍洛威學院的物理學家凡妮莎·格雷伯（Vanessa Graber）表示道。她專注於脈衝星領域的深入研究。

剛性與流動性

想象一下，轉動一個裝滿不同物質的桶。由於桶與物質剛性原子晶格之間的摩擦，固體將隨容器一起旋轉。而液體由於內部摩擦力較小，則會在桶的中心形成一個大漩渦。（靠近桶壁的原子隨桶一起旋轉，而相對內部的原子則較為滯後。）

如果將某些液體冷卻到足夠低温和低密度的狀態，液體中的原子就會在更遠的距離範圍內產生相互作用。最終，原子連接成一個能夠完美流動，且沒有任何摩擦的巨大波浪。該現象被稱為超流體現象，它最早於1937年，由俄羅斯和加拿大的物理學家在氦氣中發現。

因斯布魯克大學的物理學家弗朗西斯卡·費爾萊諾觀察到了超固體的標誌性特徵。圖源：M·範多里（M Vandory）/因斯布魯克大學

試着旋轉一桶超流體，即使桶在旋轉，超流體仍會保持靜止，並與桶產生摩擦，但當桶達到一定轉速時，超流體才會完全不受摩擦力的影響。此時，超流體抵抗旋轉的衝動，突然生成一個量子漩渦——這是一股圍繞着一根延伸至桶底的虛無柱體旋轉的原子漩渦。繼續加快桶的轉速，就會有更多完美的迷你“龍捲風”在桶的邊緣生成。

在超流體發現20年後，美國物理學家尤金·格羅斯（Eugene Gross）提出，固體中也可能出現同樣的量子集體現象（quantum collectivism）。物理學家們為了這種奇異的超流體-固體混合體是否存在的問題爭論了數十年之久。最終，超固體的理論圖景逐漸清晰浮現。通過調整超流體周圍的磁場，可以減少原子之間的排斥，使原子聚集在一起。這些原子聚集體傾向於順磁場方向排布，但原子之間又會相互排斥，從而在保持其奇特的無摩擦力現象的同時，自發組織成晶體結構。

將超固體放入旋轉的桶中，原子會同步轉動，使聚集體的晶格看起來好似隨容器一起旋轉一般，這體現出超固體類似於固體的特性。然而，恰如超流體一樣，當旋轉速度足夠快時，這種物質仍會分裂成漩渦，這些漩渦會被固定在原子聚集體之間。因此，超固體同時具有剛性和流動性。

格羅斯的預測開啓了在實驗室中尋找超固體的漫長之旅。

·理論模擬（左圖）·實驗數據（右圖）

在這些超固體中的鏑原子二維密度圖（以及三維重建圖）中，密集的原子團塊呈現出晶體排列，而量子漩渦則形成於空間間隙。

費爾萊諾團隊

2004年，研究人員首次宣佈了一項有關超固體物質狀態的發現，但隨後又撤回了聲明。直到2017年和2019年，斯圖加特、佛羅倫薩和因斯布魯克的研究團隊又相繼發現了一維繫統中的超固體信號。團隊以鏑和鉺原子氣體作為研究的切入點，這些原子本身具有足夠的磁性，像小塊的條形磁鐵一樣。施加磁場後，原子會自然聚集成規律間隔的團塊，形成晶體晶格。然後，當研究人員降低温度和密度時，原子之間的相互作用會使它們呈相干波的形式自然振盪，並具備超流體的所有特徵。

“2019年的實驗讓我們窺見了超固體的‘兩種相互競爭的性質’，”因斯布魯克團隊的研究生埃琳娜·波利（Elena Poli）表示。從那以後，該團隊將假定的超固體從一維擴展到二維，並探測超固體中被認為存在的兩種不同的特性。

但麻省理工學院物理學家、斯圖加特團隊前成員詹斯·赫特科恩（Jens Hertkorn）認為：“能夠證明超固體存在的確鑿證據在目前研究中反而是缺失的。”超流體的標誌是旋轉時產生的漩渦陣列。儘管多年來人們一直在努力嘗試，“但是，沒有前人成功使超固體旋轉過，”赫特科恩説道。

使超固體旋轉

為了觀察超固體對旋轉的響應，因斯布魯克小組把磁場當做“勺子”，以每秒約50次的頻率攪動原子內部的磁場。這一速度足以觸發漩渦，但又足夠温和，以保持量子相。費爾萊諾表示：“這是一個極其微妙的狀態——任何微小的變化都會破壞它。”

這些小“龍捲風”的發現過程是一個更大的挑戰。團隊花了三年時間追蹤量子風暴。最終，他們執行了特倫託大學物理學家阿萊西奧·蕾卡蒂（Alessio Recati）在2022年提出的方案。蕾卡蒂建議在超固體相中形成漩渦，然後將材料重新熔化成超流體，以便以更高的對比度對漩渦進行成像。

弗朗西斯卡·費爾萊諾的實驗室。拍攝者：帕特沙伊德（Patscheider）

去年年初的某天週五晚上，三名研究生攜一台筆記本電腦，興沖沖地邁入因斯布魯克校園附近的一家燈光幽暗的酒吧。他們來尋找團隊裏的兩名博後，這二位博後證實，他們已經在量子氣體中捕捉到了“龍捲風”。“這激動人心了，”博後托馬斯·布蘭德（Thomas Bland）歡呼道。研究生們回到實驗室，留布蘭德和他的同事繼續在酒吧慶祝。

“我們都相信這就是一個量子漩渦，”未參與該實驗的蕾卡蒂説道。蕾卡蒂正在等待實驗人員測量龍捲風的旋轉速度，以充分證實理論預測，但他認為，僅憑這些圖像就足以令人信服。“這對物理學界意義重大。”

赫特科恩希望其他團隊能夠復現這一結果，並追蹤信號在不同實驗條件下的變化情況。不過，他還是對因斯布魯克團隊的堅持不懈的精神表示讚賞，該團隊進行了如此富有挑戰性的測量。他表示：“從實驗的角度來看，能夠觀察到這一現象的確值得讚歎。”

宇宙的連接

今年五月，埃塞基爾·祖比埃塔（Ezequiel Zubieta）在布宜諾斯艾利斯郊外的小鎮上吃午餐時，看到他筆記本電腦屏幕上出現了一顆正在劇烈震動的死亡恆星。祖比埃塔是就讀於拉普拉塔國立大學的一名天文學研究生，他一直在跟蹤維拉脈衝星的穩定旋轉，該脈衝星是約11000年前爆炸的一顆巨型恆星的磁性殘骸。

維拉脈衝星旋轉時，會從極點發出輻射束，地球上觀測到該星每秒閃爍11次，其規律性可與人類所能製造出的最精準的時鐘相媲美。但那天，這顆恆星的自轉速度卻比平時快了約24億分之一秒。

美國國家航空航天局（NASA）錢德拉X射線天文台（CXC）拍攝的一段視頻顯示，維拉脈衝星（一顆距離地球約1000光年的中子星，每秒自轉11次）噴射出粒子束。這些弓形的粒子束是從星體疾速逃逸的物質所產生的衝擊波。

幾十年來，天文學家們一直好奇是什麼導致這些巨大的天體突然加速旋轉。人們希望這些脈衝星的突然加速現象能幫助他們破解這些奇特的宇宙燈塔的內部工作機制。

科學家們知道，恆星遺骸內部聚集着高密度的中子，僅一茶匙量的中子星物質的重量堪比一座珠穆朗瑪峯。但是，沒人清楚在該條件下中子會發生什麼變化。不過，天文學家懷疑，在恆星堅固外殼之下，受到擠壓的中子會形成團塊，並呈現出奇異的形狀，他們通常稱之為**“核意大利麪”**（或“核子意麪”）。主流模型所呈現的形態則類似於馬鈴薯湯糰、意大利麪和千層麪的形狀。

在2022年的一次會議上，費爾萊諾無意中聽到一些天文學家在討論“核意大利麪”的假想性質。許多人認為，這些類似意大利麪的中子團塊會合併形成超流體，但尚不清楚這種物質為何會導致突然的自轉加速現象。費爾萊諾懷疑，這些突然加速現象可能是她正研究的超固體的跡象，於是她決定展開調查。

中子星內部填滿的高壓中子會呈現出一系列形狀，研究者稱之為“核意大利麪”。圖源：費爾萊諾團隊

去年，費爾萊諾團隊使用他們製備的超固體計算機模擬來建模，探究如果類似物質存在於旋轉的中子星內部時，會發生什麼。他們發現，在渦旋形成後，其中一個漩渦可能會被擠出，並撞擊鄰近的漩渦，從而引發“龍捲風”和“雪崩”現象。隨即提出，這些“龍捲風”碰撞達到一定次數時，會短暫加速中子星的旋轉，從而導致突然加速的現象。

幾年前，格雷伯曾發表過關於實驗室中子星模擬的綜述，在偶然讀到這篇論文時，她感到非常激動。她回憶起自己看到論文中描述的旋轉超固體的各種特性時的想法：“哦，我的天，這篇論文中還有我能參考的一些內容。我只是瀏覽了一下論文，就發現其實自己已經觀測到了許多項和論文描述一致的旋轉超固體的特性。”

既然費爾萊諾團隊已經在超固體中發現了漩渦，他們計劃研究這些漩渦是如何形成、運動和消失的。他們還希望復現研究人員設想的脈衝星突然加速的機制，以展示漩渦雪崩是如何促使現實中的超固體加速旋轉。物理學家還希望利用這些研究來破解其他奇異物質形態的研究。他們預計漩渦會在這些物質形態中發揮關鍵作用，例如輔助高温超導體的研究。

與此同時，與格雷伯和祖比埃塔一道的天文學家希望這項工作能夠為脈衝星提供新的判斷工具。隨着對渦旋動力學理解的加深，他們或許能夠通過觀測脈衝星的突然加速現象，來推斷**“核意大利麪”的組成和行為**。

格雷伯表示：“對小微尺度物理機制的理解意義重大。我無法用望遠鏡觀察中子星的內部，但卻基本上能通過對微觀物理層面的推斷，來了解中子星的內部。”

費爾萊諾的團隊正在探尋其他可能具有超固體特性的系統。她認為，超固體特性的應用反映了****自然界的基本聯繫。她表示：“物理學無處不在，我們正在習得物理學的遊戲規則。”

作者：Zack Savitsky

翻譯：邊穎

審校：virens

原文鏈接：Physicists Spot Quantum Tornadoes Twirling in a ‘Supersolid’