物理學(xué)家將物質(zhì)的奇異階段分配到一個額外的維度

超固體的原子可以在不損失能量的情況下移動

激光+超冷氣體，開啟物質(zhì)變化新維度——超固體

超固體的原子可以在不損失能量的情況下移動

圖解：藝術(shù)家對超固體的印象描繪，它既像固體又像液體。圖源：IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

物理學(xué)家發(fā)明了有史以來第一個二維超固體——一種奇異的物質(zhì)相，表現(xiàn)為固體和無摩擦液體共存。

圖解：二維超固體。圖源：sciencetimes

超固體是一種晶體材料，其原子排列結(jié)構(gòu)規(guī)則且重復(fù)，也能夠永遠(yuǎn)流動而不損失任何動能。盡管它們的奇異性質(zhì)似乎違反了許多已知的物理定律，但物理學(xué)家早在1957年就在物理學(xué)家尤金·格羅斯（Eugene Gross）的工作中首次提出了理論上的預(yù)測。

現(xiàn)在，通過使用激光和超冷氣體，物理學(xué)家終于將超固體誘導(dǎo)成了二維結(jié)構(gòu)，這一進(jìn)步可以讓科學(xué)家們破解奇怪物質(zhì)相神秘性質(zhì)背后的深層物理。

研究人員特別感興趣的是，當(dāng)二維超固體旋轉(zhuǎn)成一個圓圈時，它們將如何表現(xiàn)，以及它們內(nèi)部會出現(xiàn)的小漩渦或漩渦。

圖解：對膨脹的玻色-愛因斯坦凝聚環(huán)的概念圖。圖源：Emily Edwards, Joint Quantum Institute

主要作者、奧地利因斯布魯克大學(xué)量子光學(xué)和量子信息研究所（IQOQI）的物理學(xué)家馬修·諾西亞（Matthew Norcia）在一封電子郵件中告訴《生活科學(xué)》。“例如，我們希望通過研究旋轉(zhuǎn)振蕩，以及在二維系統(tǒng)比在一維系統(tǒng)中更容易存在的漩渦，學(xué)到很多東西?！?/p>

為了制造超固體，研究小組在光學(xué)鑷子內(nèi)懸浮了一團(tuán)鏑-164原子，然后使用一種稱為激光冷卻的技術(shù)將原子冷卻到略高于零開爾文（零下459.67華氏度，或零下273.15攝氏度）。

圖解：鏑（Dy）。鏑-164原子（原子序數(shù)：66）的原子核組成和電子構(gòu)型圖，鏑是該元素最常見的同位素。原子核由66個質(zhì)子（紅色）和98個中子（藍(lán)色）組成。66個電子（綠色）結(jié)合到原子核，依次占據(jù)可用的電子殼（環(huán)）。。圖源：SCIENCE PHOTO LIBRARY

向氣體發(fā)射激光通常會使氣體升溫，但如果激光束中的光子（光粒子）沿與移動氣體粒子相反的方向傳播，它們實(shí)際上會導(dǎo)致氣體粒子變慢并冷卻。在用激光盡可能地冷卻鏑原子后，研究人員松開了光鑷的“把手”，為最高能的原子創(chuàng)造了足夠的空間去逃逸。

由于“較熱”的粒子比較冷的粒子抖動得更快，這項(xiàng)技術(shù)稱為蒸發(fā)冷卻，可以讓研究人員只留下過冷的原子；這些原子被轉(zhuǎn)變成了一種新的物質(zhì)相：玻色-愛因斯坦凝聚體：一組被過冷到絕對零度的原子。

圖解：將銣原子冷卻到絕對零度以上不到1700億分之一的溫度，導(dǎo)致單個原子凝結(jié)成一個“超級原子”，表現(xiàn)為一個單一的實(shí)體。該圖顯示了時間上的三維連續(xù)快照，其中原子從密度較低的紅色、黃色和綠色區(qū)域凝聚成非常密集的藍(lán)色到白色區(qū)域。圖源：physx

當(dāng)一種氣體被冷卻到接近零度的溫度時，它的所有原子都會失去能量，進(jìn)入相同的能量狀態(tài)。由于我們只能通過觀察原子的能級來區(qū)分氣體云中其他相同的原子，這種均衡具有深遠(yuǎn)的影響：從量子力學(xué)的角度來看，組成較暖氣體的原子的振動、抖動和碰撞的一度完全不同的原子云變得完全相同。

這為一些真正奇怪的量子效應(yīng)打開了大門。海森堡的測不準(zhǔn)原理說作為量子行為的一個關(guān)鍵規(guī)則，其中說到，不能絕對準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量。然而，既然玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)原子不再運(yùn)動，它們的所有動量都是已知的。這導(dǎo)致原子的位置變得如此不確定，以至于它們可能占據(jù)的位置的面積比原子之間的空間更大。

因此，模糊玻色-愛因斯坦凝聚球中的重疊原子就好像它們只是一個巨粒子，而不是離散的原子。這給一些玻色-愛因斯坦凝聚體賦予了超流體的性質(zhì)：允許它們的粒子在沒有任何摩擦的情況下流動。事實(shí)上，如果你攪拌一杯超流體玻色-愛因斯坦凝聚體，它將永遠(yuǎn)不會停止旋轉(zhuǎn)。

研究人員使用鏑-164（鏑的一種同位素），因?yàn)樗ㄅc元素周期表上的相鄰元素鈥一起）是所有已發(fā)現(xiàn)元素中最具磁性的。這意味著，當(dāng)鏑-164原子過冷時，除了變成超流體外，它們還聚集在一起形成液滴，像小棒狀磁鐵一樣相互粘附。

Norcia說，通過“仔細(xì)調(diào)整原子之間的長程磁相互作用和短程接觸相互作用之間的平衡”，該團(tuán)隊能夠制造出一個長的一維液滴管，其中也包含自由流動的原子——一維超固體。這是他們以前的工作。

為了實(shí)現(xiàn)從一維到二維超固體的飛躍，研究小組使用了一個更大的原子阱，并在兩個方向上降低了光鑷光束的強(qiáng)度。這與在陷阱中保持足夠的原子以保持足夠高的密度一起，最終使它們能夠形成一種鋸齒形的液滴結(jié)構(gòu)，類似于兩個彼此相鄰的偏移一維管，一個二維超固體。

圖解：研究人員將他們的原子阱設(shè)計成完全由激光制成，產(chǎn)生了一個非常平滑的全光環(huán)形勢，可以在其中研究超流和原子電子。圖源：JQI

隨著其創(chuàng)建任務(wù)的完成，物理學(xué)家們現(xiàn)在希望使用他們的二維超固體來研究所有因具有這個額外維度而產(chǎn)生的屬性。例如，他們計劃研究在陣列液滴之間出現(xiàn)并被捕獲的漩渦，特別是因?yàn)檫@些漩渦原子至少在理論上可以永遠(yuǎn)螺旋。

這也使研究人員更接近Gross等早期提案所設(shè)想的體積、三維、超固體，以及它們可能具有的更為奇特的性質(zhì)。

BY: Ben Turner

FY: 武薇

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處