模拟与实验数据叠加的量子漩涡。图片来源：奥地利因斯布鲁克大学
超固体是量子物质的一种新形式，最近才得到证明。物质的状态可以在超冷的偶极量子气体中人工产生。由因斯布鲁克物理学家 Francesca Ferlaino 领导的一个团队现在已经证明了超流体的一个缺失标志，即量子化漩涡的存在作为系统对旋转的响应。他们在超固体中观察到微小的量子漩涡，其行为也与以前假设的不同。
该作品发表在《自然》杂志上。
同时表现为固体和超流体的物质似乎是不可能的。然而，50 多年前，物理学家预测量子力学允许这样一种状态，即一组无法区分的粒子可以同时表现出看似矛盾的特性。
“这有点像薛定谔的猫，它既是活的又是死的，超固体既是刚性的又是液体的，”因斯布鲁克大学实验物理系和奥地利科学院 （ÖAW） 量子光学与量子信息研究所 （IQOQI） 的 Francesca Ferlaino 解释说。
虽然导致超固体“固体”性质的晶体排列已经被直接成像，但超流体特性要难以捉摸得多。虽然研究人员已经探索了超流体行为的各个方面，例如相位相干和无间隙 Goldstone 模式，但超流体的决定性特征之一——量子化漩涡——的直接证据仍然难以捉摸。
现在，一项重大突破是，终于在旋转的二维超固体中观察到量子化涡流，为人们期待已久的无旋超流体流入超固体提供了确认，并标志着调制量子物质研究向前迈出了关键的一步。
具有挑战性的实验在这项新研究中，科学家们将理论模型与尖端实验相结合，在偶极超固体中创建和观察漩涡——事实证明，这一壮举极具挑战性。因斯布鲁克团队此前曾在 2021 年取得突破，在铒原子的超冷气体中创造了第一个长寿命二维超固体，这本身就是一项艰巨的任务。
“下一步 - 开发一种在不破坏其脆弱状态的情况下搅拌超固体的方法 - 需要更高的精度，”主要作者 Eva Casotti 解释说。
研究人员使用以理论为指导的高精度技术，利用磁场小心翼翼地旋转超固体。由于液体不会刚性旋转，因此这种搅拌会导致量子化涡流的形成，这是超流体的流体动力学指纹。
“这项工作是了解超固体的独特行为及其在量子物质领域的潜在应用方面向前迈出的重要一步，”Francesca Ferlaino 补充道。
此外，该实验花了将近一年的时间，揭示了超固体和未调制量子流体中漩涡动力学之间的显着差异，并为超流体和固体特性如何在这些奇异的量子态中共存和相互作用提供了新的见解。
探索新的物理场这一发现的影响远远超出了实验室，可能会影响从凝聚态物理学到天体物理学的领域，在这些领域中，类似的量子相位可能在极端条件下存在。
“我们的发现为研究具有多个破碎对称性的奇异量子系统的流体动力学特性打开了大门，例如量子晶体甚至中子星，”指导该项目理论发展的托马斯·布兰德说。
“例如，假设在中子星中观察到的转速变化——所谓的毛刺——是由中子星内部的超流体漩涡引起的。我们的平台提供了在地球上模拟此类现象的机会。超流体漩涡也被认为存在于超导体中，超导体可以无损耗地导电。"
我们的工作是研究新物理学道路上的一个重要里程碑，“Francesca Ferlaino 说。
“我们可以在实验室中观察到自然界中只有在非常极端的条件下才会出现的物理现象，例如中子星。”
更多信息：Eva Casotti 等人，《偶极超固体中涡流的观察》，《自然》（2024 年）。DOI：10.1038/s41586-024-08149-7。www.nature.com/articles/s41586-024-08149-7。在 arXiv 上：arxiv.org/abs/2403.18510
期刊信息： Nature ， arXiv
