美国 - 艾赫巴里通讯社
量子飞跃：物理学家首次实现超流体到超固体的可逆转变
在一项突破性的进展中，国际物理学家团队成功观察到超流体状态到超固体状态，并再返回的、可逆的相变，这极大地推动了量子力学和凝聚态物理学的边界。这项前所未有的成就，在1月28日发表于著名期刊《自然》的一项最新研究中详细阐述，标志着首次观测到这种自然且可逆的转变，特别涉及一种名为激子（excitons）的准粒子。这项发现为在极端条件下理解和操纵奇异物质状态开辟了全新途径，有可能彻底改变从量子计算到基础物理研究的各个领域。
该研究团队的突破核心是激子，这种迷人的准粒子是由一个电子和一个电子空穴结合而成。通过精心控制环境条件，科学家们能够引导这些激子经历一系列挑战传统物质理解的相变。尽管超流体和超固体的存在已被理论化，并在某些情况下通过实验创造出来，但诱导这两种极其不寻常状态之间发生自发和可逆转变的能力，代表着一个重大的飞跃。这类似于观察水自发冻结成冰，然后又融化回液体，但发生在量子层面，具有更为复杂的性质。
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要理解这项发现的重大意义，必须了解超流体和超固体。超流体是一种物质状态，当某些粒子（如氦同位素或激子）被冷却到略高于绝对零度（即所有原子运动停止的点）的温度时，就会出现。与传统液体不同，超流体表现出零粘度，这意味着它们可以无摩擦地流动。当被搅动时，它们会形成持久的微观涡流，称为量子涡流，这证明了其独特的量子力学性质。本质上，它们是无摩擦的液体，能够看似反抗重力并无限期地流动。
另一方面，超固体是一种更为神秘的物质状态。理论上认为，当超流体被进一步冷却时，它们就会存在，它们具有超流体的无摩擦流动特性，但也表现出一种坚硬、有序的结构，非常类似于晶格。想象一种材料既是完美的流体又是完美的晶体——这个概念挑战了直观的理解。在这项研究之前，超固体已经在实验室中被制造出来，值得注意的是，2021年用镝原子制造的超固体，以及2024年在一个超固体中观察到的量子涡流。然而，这些先前的实验通常依赖于外部设备和能量来迫使粒子形成有序晶格，从而有效地强制形成超固体状态。新的研究则通过展示一种自然的、自发的相变而脱颖而出。
哥伦比亚大学物理学家、这项开创性研究的合著者科里·迪恩表示：“我们首次看到超流体经历相变，形成了一种似乎是超固体的东西。” 这一观察至关重要，因为它表明了超固体形成的一种基本机制，不需要外部支架，验证了长期以来的理论预测。
实验设置涉及一种异常简单却巧妙的设计。研究人员将两片超薄石墨烯（一种由单层碳原子组成的材料）极其紧密地放置在一起。然后，施加强大的磁场，并将整个系统冷却，以形成“激子汤”。当温度精确地降低到绝对零度以上2.7至7.2华氏度（1.5至4摄氏度）之间时，激子凝聚成超流体。关键的是，当系统被进一步冷却时，激子转变为一种电绝缘的神秘新相，研究团队强烈怀疑这正是理论上的超固体状态。通过稍微加热系统来逆转这一过程的能力，进一步证实了他们的结论。
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这项发现对基础物理学具有深远的影响。它为在极端环境中研究量子力学、热力学和材料结构之间的相互作用提供了一个强大的平台。此外，了解这些奇异状态如何自然转变，可能为新的技术应用铺平道路。例如，超流体和超固体的无摩擦流动可以激发能源传输或量子计算的新方法，在这些领域中，最小化耗散至关重要。这种转变的自然和可逆性质提供了一个新的视角，科学家可以通过它探索量子物质的复杂图景，有可能揭示出尚未想象的全新现象和特性。
