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很神奇，它既是晶體又是超流體

2019-10-05 13:42 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

超固體，具有超流體性質(zhì)的固體材料，其中一種物質(zhì)可以以零粘度流動(dòng)，現(xiàn)在已成為眾多物理學(xué)研究的焦點(diǎn)。超固體是物質(zhì)的矛盾相，其中兩個(gè)截然不同、有些對(duì)立的順序共存，導(dǎo)致物質(zhì)既是晶體又是超流體。

超堅(jiān)固性最初是在20世紀(jì)60年代末被預(yù)測(cè)出來，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為越來越多研究的焦點(diǎn)，引發(fā)了不同科學(xué)領(lǐng)域的爭(zhēng)論。例如，幾年前，一組研究人員發(fā)表了有爭(zhēng)議的研究結(jié)果，他們?cè)诠虘B(tài)氦中發(fā)現(xiàn)了這種相，但后來作者自己否認(rèn)了這一說法。

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵問題是，沒有考慮到氦的復(fù)雜性，以及它有時(shí)可能產(chǎn)生不可靠的觀測(cè)結(jié)果。此外，在原子中，相互作用通常是非常強(qiáng)和穩(wěn)定的，這使得這個(gè)階段更難發(fā)生。偶極量子氣體位于固態(tài)氦等結(jié)構(gòu)的另一個(gè)極端，因?yàn)樗鼈兪怯蓺庀嘀械某浯判栽永鋮s到微毫開爾文溫度構(gòu)成。因此，在這些氣體中，原子之間的相互作用微弱，但它們也是遠(yuǎn)距離的，并且可以通過外部控制的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于量子氣體具有高度的可調(diào)諧性，幾年前，量子氣體開始更頻繁地出現(xiàn)在超固態(tài)理論中。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是用氣體與光場(chǎng)耦合，實(shí)驗(yàn)顯示了具有超固態(tài)性質(zhì)的狀態(tài)，但在這些狀態(tài)下，固體仍然是不可壓縮的?，F(xiàn)在三個(gè)研究小組(一個(gè)由Tilman Pfau領(lǐng)導(dǎo)的德國(guó)小組，一個(gè)由Giovanni Modugno領(lǐng)導(dǎo)的意大利小組，以及一個(gè)由Francesca Ferlaino領(lǐng)導(dǎo)的Innsbruck大學(xué)和Institut fur Quantenoptik und Quanteninformation的研究小組)同時(shí)發(fā)表了對(duì)具有超固體性質(zhì)狀態(tài)的觀察。innsbrucucs的研究人員表示：我們能夠證明，在特定的相互作用條件下，磁性氣體經(jīng)歷了向超固態(tài)的相變。

表現(xiàn)出兩種自發(fā)密度調(diào)制(即自發(fā)密度調(diào)制)，晶體和全局相位相干性。值得注意的是，超固體性質(zhì)真正來自于裸粒子間的相互作用，它們具有很強(qiáng)的偶極-偶極貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，弗朗西斯卡·法萊諾(Francesca Farlaino)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開展了一項(xiàng)新研究，對(duì)捕獲偶極超固體的激發(fā)光譜進(jìn)行了研究，獲得了有趣的新觀測(cè)結(jié)果。這項(xiàng)研究是揭示物質(zhì)超固態(tài)如何響應(yīng)激發(fā)態(tài)的重要一步。要探測(cè)超固體性，重要的是要證明系統(tǒng)超流體和晶體性質(zhì)對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)不同。更普遍地說，在量子物理學(xué)中，任何系統(tǒng)都有其固有的激發(fā)模式，用來描述它對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)。

例如，一根被拉緊的吉他弦，只以給定的頻率做出反應(yīng)，發(fā)出清晰的聲音，訓(xùn)練有素的耳朵可以識(shí)別出這是一個(gè)特定音符，從而估計(jì)出弦的特征。量子系統(tǒng)也是如此；激發(fā)光譜揭示了其內(nèi)在特性的密切信息。因此，探索超固體的激發(fā)態(tài)，可以對(duì)這個(gè)有趣的階段有新的、更深入的了解。研究人員觀察到的反應(yīng)符合與超固態(tài)有關(guān)的理論預(yù)測(cè)，這表明成功地觀測(cè)到了超固態(tài)。其研究成果論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，專門研究了處于三維各向異性阱中，偶極玻色氣體在超流體和超固體之間轉(zhuǎn)變時(shí)的基本激發(fā)光譜。

通過研究系統(tǒng)對(duì)磁系統(tǒng)的反應(yīng)，該研究向前邁出了重要的一步。一個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)方式可以告訴你很多關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)本身的信息。考慮一個(gè)人向一個(gè)系統(tǒng)扔石頭的外部干擾就足夠了，如果一個(gè)人把石頭扔到海里或扔到墻上，反應(yīng)會(huì)有多大的不同，當(dāng)然這只是一個(gè)比喻。本研究的不是扔石頭，而是系統(tǒng)的可壓縮性。在研究中，科學(xué)家通過改變外部磁場(chǎng)的值，從本質(zhì)上探索了由鉺原子的量子氣體在一個(gè)雪茄形狀的光阱中，產(chǎn)生超固態(tài)的激發(fā)模式。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，密度調(diào)制沿著阱自發(fā)地出現(xiàn)，而系統(tǒng)保持在超流體狀態(tài)。然后，研究人員通過在密度調(diào)制出現(xiàn)的同一方向上擾動(dòng)陷阱，使整個(gè)系統(tǒng)處于激發(fā)狀態(tài)。這導(dǎo)致了不同模式的激發(fā)，通過觀察氣體自身物質(zhì)波干涉(通過使氣體膨脹得到)模式隨時(shí)間變化來探測(cè)模式的變化。在本研究中，科學(xué)家利用一種稱為主成分分析的無模型統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)觀察到模式的時(shí)間演化過程，來識(shí)別不同的基本激發(fā)模式。最有意義的觀察是：在超固體中同時(shí)存在兩階（晶體和超流體）轉(zhuǎn)化為其基本激發(fā)光譜的顯著特性。

過去的研究表明，在熱力學(xué)極限(即在無限系統(tǒng)中)，晶體和超流體性質(zhì)的存在在激發(fā)光譜中產(chǎn)生兩個(gè)分支，每個(gè)分支都與一個(gè)階有關(guān)。這導(dǎo)致模態(tài)要么是晶體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，要么是超流體的流動(dòng)，在本研究中，研究人員在理論和實(shí)驗(yàn)上都表明，超固體光譜的這一關(guān)鍵特征，發(fā)生在只有少量晶體位置存在的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)系統(tǒng)從常規(guī)超流體轉(zhuǎn)變?yōu)槌腆w時(shí)，系統(tǒng)對(duì)全局磁響應(yīng)會(huì)從一種模式轉(zhuǎn)變?yōu)閹追N模式，這反映了系統(tǒng)中磁分支的多樣性。

重要的是，當(dāng)深入到超固體狀態(tài)時(shí)，一類激發(fā)態(tài)的能量會(huì)降低，即，當(dāng)相的超流體特性降低時(shí)，這種行為表征了在液滴陣列中誘導(dǎo)超流體流動(dòng)的模式。雖然在玻色-愛因斯坦凝聚體系中，系統(tǒng)表現(xiàn)出一種普通的四極振蕩，但在超固體體系中，產(chǎn)生了一種有趣的雙頻響應(yīng)。這個(gè)響應(yīng)與系統(tǒng)兩個(gè)自發(fā)破壞的對(duì)稱性有關(guān)。研究為超固態(tài)下超流體流動(dòng)的可能性提供了證據(jù)，而其固體彈性是敏感的。然而，為了確定觀測(cè)結(jié)果，研究人員還需要證明超流體流動(dòng)的無旋性，例如通過觀察渦旋。