微觀世界會刮量子龍捲風嗎?物理學家在超固體中觀測到量子渦旋_風聞

對微觀量子渦旋的新觀測證實了一種矛盾的物質相的存在，該相態可能存在於中子星內部。

撰文 | Zack Savitsky

編譯 | 顧晨晟

圖 1 超固體旋轉時形成的量子渦旋示意圖

在奧地利阿爾卑斯山脈的一個實驗室中，稀土金屬氣體以戰鬥機般的速度從高温爐中蒸發噴出。隨後，激光與磁脈衝的組合作用使氣體減速到近乎停止，冷卻到低於深空的温度。大約5萬個原子失去獨立的特性，合併為單一態。最終，通過旋轉周圍的磁場，微小的量子渦旋誕生出來。

過去三年，因斯布魯克大學的物理學家弗朗西斯卡·費拉伊諾（Francesca Ferlaino）和她的團隊致力於捕捉這些量子渦旋的動態影像。“許多人認為這不可能，”費拉伊諾在今年夏天的一次實驗室訪談中表示，“但我堅信我們能成功。”

如今，團隊在《Nature》上發表的最新研究中公佈了量子渦旋的成像結果，為超固體這一奇異物質相的存在提供了決定性證據。

超固體是一種兼具最堅硬的剛性與超流體無摩擦流動性的矛盾相態。自1957年理論預言以來，其存在性備受爭議。儘管此前有間接證據，但新實驗首次直接觀測到超固體的標誌性特徵——量子渦旋。研究者認為，此類渦旋或可解釋從高温超導體到天體內部結構的廣泛的物理圖像。

這些量子渦旋或許能揭示物質在宇宙極端條件下的作用規律。脈衝星——高速自轉的中子星，本質上是死亡恆星遺留的超緻密殘骸——被認為可能具有超固體的內部結構。“這實際上是一個極佳的中子星類比系統，”專攻中子星研究的倫敦大學皇家霍洛威學院物理學家凡妮莎·格雷伯（Vanessa Graber）表示，“這一發現令人振奮。”

剛性與超流動性並存

想象一下旋轉一個裝滿不同物質的桶。對於固體來説，由於桶和固體的剛性原子晶格之間的摩擦，固體會隨着容器一起旋轉。對於液體來説，外部靠近桶壁的原子會因摩擦而隨着桶旋轉，內部的原子由於液體內部較小的內摩擦而滯後於外部原子（離心作用），因此液體會在桶的中心形成一個渦旋。當物質被冷卻到極低温、低密度的情況時，原子會在更長的距離上相互作用，最終形成一個巨大的波浪並且沒有任何摩擦的流動，這就是具有零粘滯特性的超流體。1937年，俄國和加拿大的物理學家首先在氦中發現了超流體。

圖 2 物理學家弗朗西斯卡·費拉伊諾，發現了超固體的特徵特性

試着旋轉一桶超流體，即使桶繞着它旋轉，超流體也會保持靜止。此時，為了抵抗旋轉的趨勢，超流體突然產生了一個單一的量子渦旋——由原子環流圍繞着一個延伸到桶底的虛空之柱成的原子渦旋。繼續提高轉速，更多完美的龍捲風從容器邊緣湧現出來。

在超流體被發現20年後，美國物理學家尤金·格羅斯（Eugene Gross）提出，固體也可能擁有同樣的量子集體性，形成兼具晶體結構和超流體性質的奇異物質相（超固體），這一預言引起了物理學家數十年的爭論。最終，一幅關於超固體的理論圖像出現了，通過調整超流體周圍的磁場，降低原子間的斥力，可以使原子聚集成團簇。這些團簇在磁場作用下形成規則排列的晶格結構，各個團簇之間相互排斥，且內部保持着神奇的超流體無摩擦特性。

把一個超固體放在一個旋轉的桶中，原子團簇的晶格會與桶同步旋轉，表現出固體的性質。但是，由於超流體的性質，當旋轉足夠快時，超固體會產生量子渦旋，這些渦旋被固定在各個團簇之中。超固體將會兼具這樣的剛性與超流動性。格羅斯的預言開啓了實驗室中探尋超導體的漫長征程。

圖 3 超固體中鏑原子的2D密度和3D重構圖，密集原子團簇呈晶格排列，量子渦旋在空隙之間形成。左圖為理論模擬，右圖為實驗數據。

研究者在2004年首次宣稱了超固體的發現，但後續撤回了結論。在2017年和2019年，研究迎來關鍵進展。來自斯圖亞特、佛羅倫薩、因斯布魯克的研究團隊在一維繫統中找到了超固體存在的證據。這些團隊以鏑（Dy）與鉺（Er）原子氣體作為載體。這些原子天然具有足夠的磁性，相當於納米尺度的條形磁鐵。施加磁場會觸發這些原子自然聚集成有規則間隔的團簇，形成晶格結構。然後，降低原子的温度和密度，原子之間的相互作用使它們作為相干波自然振盪，同時具有超流體的全部特徵。

因斯布魯克團隊的研究生埃琳娜·波利（Elena Poli）説，2019的實驗瞥見了超固體兩種矛盾的性質。從那以後，該團隊將他們假設的超固體從一維擴展到二維，並檢驗了各種預測的性質。

但是，麻省理工學院的物理學家、斯圖亞特團隊的前成員延斯·赫特科恩（Jens Hertkorn）説，“目前該研究缺失的是最基本、確鑿的超固體是否存在的證據”。超流動性的典型性質是旋轉時產生一系列的渦旋。赫特科恩説，儘管經過多年的努力，“在那之前，仍然沒有人能成功旋轉一個超固體”。

使超固體旋轉

為了觀察他們的“超固體”對旋轉的反應，因斯布魯克的研究人員用一個磁場作為勺子，以每秒50次的頻率攪動原子的內部磁場，這個速度足夠温和，可以保持原子的量子相，但又足夠引起渦旋。“這是一種非常非常脆弱的狀態，任何微小的變化都會破壞它，”費拉伊諾説。

觀測這些小龍捲風是一個更大的挑戰，該小組花了三年時間研究量子龍捲風。最終，他們執行了特倫託大學物理學家阿萊西奧·雷卡蒂（Alessio Recati）在2022年提出的一項建議。他建議在超固體形成渦流，然後將材料熔化回超流體，在更高的對比度下對渦流進行成像。

圖 4 費拉伊諾在因斯布魯克大學的實驗室

去年年初的一個週五晚上，三名研究生拿着筆記本電腦衝進了因斯布魯克大學附近一家昏暗的酒吧，他們正在尋找團隊的兩名博士後，這兩位博士後可以證實他們在量子氣體中“捕獲”龍捲風。“這讓人無比興奮，”其中一名博士後托馬斯·布蘭德（Thomas Bland）説。研究生們離開回實驗室去了，布蘭德和他的同事留下來慶祝。

“我們都相信這是一個量子渦旋，”沒有參與實驗的雷卡蒂説。他説，他正在等待實驗物理學家測量龍捲風的旋轉速度，以完全證實理論預測，但只看圖像就已經令人滿意了。“這與整個物理學界密切相關。”

赫特科恩期望其他研究小組能夠成功複製這一結果，並進一步追蹤圖像在不同實驗條件下的變化情況。並且，他對因斯布魯克團隊在面臨巨大挑戰時依然堅持不懈地進行精確測量表示讚賞。他指出：“這一實驗成果確實令人印象深刻，並且是可以被觀察到的。”

與宇宙的連接

今年5月，埃塞基耶爾·祖比埃塔（Ezequiel Zubieta）在布宜諾斯艾利斯郊外的一個小鎮上享用燉麪包卷午餐時，發現筆記本電腦屏幕上出現了一顆死亡恆星的劇烈變化。祖比埃塔是拉普拉塔國立大學的天文學研究生，他一直在研究船帆座脈衝星奇特的穩定旋轉，這顆脈衝星是一顆大約1.1萬年前爆炸的大質量恆星的磁化遺蹟。

船帆座脈衝星在旋轉時，從兩極發射輻射束，在地球上觀測是每秒閃爍11次，其規律性可與人類製造的最精準時鐘相媲美。然而，在那一天，這顆恆星的自轉速度比平時快了約 24 億分之一秒。

美國航空航天局錢德拉X射線天文台拍攝的圖像顯示，船帆座脈衝星噴出了一股粒子流（距離地球約1000光年的一顆中子星，每秒旋轉11次）。該天體急速噴出粒子流時所產生的衝擊波與周圍星際介質相互作用，呈現出一個弓形結構。

幾十年來，天文學家一直想知道是什麼原因導致脈衝星突然加速旋轉。許多人希望這些脈衝星的“故障”能夠幫助他們破解奇特“宇宙燈塔”的內部工作機制。

科學家們知道，恆星的遺骸（即中子星）內部密集地填充着中子——一茶匙的中子星，其重量相當於巍峨的珠穆朗瑪峯。然而，對於中子在如此極端環境下究竟會發生何種變化，目前尚無確切答案。不過，天文學家推測，在中子星那堅實外殼之下的一層中，高壓環境下的中子會聚集形成具有奇特形狀的團塊，這些團塊常被形象地稱為 “核意大利麪”。在主要的理論模型中，這些結構可能呈現出類似意式土豆團、意大利細面以及千層麪的形態。

在 2022 年的一場會議中，費拉伊諾偶然聽到一些天文學家在探討 “核意大利麪” 所具有的一些假定特性。許多研究者認為，那些形似意大利麪的中子團塊將會合併為超流體，然而，科學家們還不明白這種物質如何引發脈衝星的突變現象。費拉伊諾猜測，這些突變或許正是她在實驗室中致力研究的超固體的一些跡象，於是她決定就此展開深入探究。

圖 5 中子星內部可能的核意大利麪結構

去年，費拉伊諾及其團隊對超固體進行了計算機模擬，對假設情況進行建模，如果超固體存在於旋轉的中子星內部，將會發生何種現象。他們發現，在渦旋形成之後，其中某個渦旋可能會脱離原位，並與相鄰的渦旋發生碰撞，進而引發一場能量傳遞給中子星外殼的 “龍捲風” 和 “雪崩” 效應。眾多的 “龍捲風” 碰撞可能會短暫加速中子星的自轉，從而導致脈衝星的“故障”。

格雷伯早些年曾發表過一篇關於中子星實驗室模擬研究的綜述，當她偶然看到這篇論文時，她非常興奮。“哇，天哪，” 她回想起當時看到論文中描述的旋轉超固體的各種特性時的想法，“還有其他我可以利用的東西呢。” “閲讀文本時，我驚喜地發現，‘這些正是我所擁有的！’”

如今，費拉伊諾的團隊已在超固體中成功探測到渦旋，接下來，他們計劃着手探究這些“龍捲風”如何生成、轉移與消散。此外，他們還希望復現脈衝星突變的假定機制，以展示渦旋的“雪崩”效應如何使現實世界中的超固體加速自轉。物理學家們同樣期望藉助這些研究來破解其他一些奇異的物質相的奧秘。在這些物質相中（如高温超導體），量子渦旋可能會發揮關鍵作用。

與此同時，格雷伯和祖比埃塔等天文學家希望這項研究能夠為脈衝星提供一種新的研究方法。通過對渦旋動力學更深入的理解，他們或許可以利用脈衝星突變的觀測數據，來推斷核意大利麪的構成與特性。

“如果能夠搞清楚這樣小尺度上的物理原理，那對我們來説非常有價值，” 格雷伯説道，“我無法用望遠鏡觀測中子星外殼的內部，而他們實際上掌握了這種能力。”

費拉伊諾團隊正在積極搜尋其他可能具備超固體特性的系統，她認為中子星與超固體展現了萬物之間本質的關聯性。“物理學具有普遍性，”她説道，“人類正在逐步學習和掌握規律。”

本文經授權轉載自微信公眾號“墨子沙龍”。

來源：https://www.quantamagazine.org/physicists-spot-quantum-tornadoes-twirling-in-a-supersolid-20241106/

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