超固体的回归

作者: 林熙

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2017-02-21 09:49:48

在2004年的误报之后,两个课题组可能报道了超固体的第一次观测。超固体是一个理论预言的物态,它是固体同时又是超流体。超固体也许现在能跻身于如超导体和超流体之类的奇异的基础物态之列。

在2004年的误报之后,两个课题组可能报道了超固体的第一次观测。超固体是一个理论预言的物态,它是固体同时又是超流体。超固体也许现在能跻身于如超导体和超流体之类的奇异的基础物态之列。固体保持形状,液体可以流动,这是我们小时候学到的知识。固体在空间中占据特定的位置,它的分子的位置也是固定的。液体的形状取决于它的容器,它的分子在不停地运动。

然而对于理论上预言的仅在极端条件下存在的物态超固体,它并不符合这样的规定。超固体的描述是矛盾的:它形成刚性的晶格结构,理论又预言它的一部分物质的行为像超流体——一个能像液体一样流动但没有粘滞的量子态。这些特性让超固体能做室温下“平凡”世界中无法实现的事情,比如没有阻力地流过自身。

尽管俄国物理学家Alexander Andreev和Ilya Liftshitz在1969年首先预言了超固体能在接近绝对零度的氦中存在,明确的证据一直很难获得,这个令人困惑的物态很大程度上只存在于理论的领域。然而,两个独立的课题组(美国的MIT和瑞士的ETH)最近报道了超固体的存在。这两项工作均暂时发布在arXiv预印本系统上,尚未发表在需要同行评议的杂志上。

两个组获得超固体的方法均基于玻色—爱因斯坦凝聚态(BEC)而不是基于氦。BEC是一个奇特的物态,它只在一堆玻色子接近绝对零度时才出现。这两个几乎同时的报道采用了不同的实验方法,这个消息令人激动不仅仅是因为超固体也许现在能跻身于如超导体和超流体之类的奇异的基础物态之列,也因为从理论预言到实验证据之间那漫长而艰辛的过程。尽管一些科研工作者继续在氦中寻找超固体,很多其他实验室通过BEC寻找超固体。

基于印度物理学家Satyendra Bose的理论工作,Albert Einstein于1924年最先提出BEC的存在,然而直到1995年,第一个BEC才在美国科罗拉多的一个实验室被产生出来,所用的方法是,用激光和磁场局域住一些铷原子,并将它们尽可能地降低温度。在接近绝对零度时,这些分立的原子开始集体表现得像一个巨大的超级原子:一个在最低能级的量子存在。

BEC的发现和测量让包括MIT的Wolfgang Ketterle在内的三人获得了诺贝尔奖,他的实验室也是这次发现超固体的两个课题组之一。

物理学家通常用对称性破缺来描述相变。形成晶格和形成超流态都伴随着对称性破缺,所以形成超固体需要两种对称性被同时破坏。超固体是两种不同的互相矛盾的有序在进行奇怪的竞争。一个有序是固体本身,原子得按晶格排列,另一个有序来自超流,这时候原子占据同一个量子态。所以,Balibar说,“超固体中的原子又得局域又得非局域,又得可分辨又得不可分辨。”

尽管这两个组的工作都提出支持超流态存在的说法,然而他们并没有真正证明一个材料能流过这个材料本身。发现新物态是冷原子研究多年来的一个驱动力,增长中的新物态名单包括超流体和超导体,超固体是最近加入的奇异材料。因为科学家们已经在BEC上工作多年了,他们很清楚如何去调控它以探索基础的物态。然而,他们的工作才刚刚开始,他们在寻找确定其他新物态和探索新物态各种性质的方法。

像超固体这样奇异的物态,在极端条件下有新奇的、难以解释的物理现象。“冷原子中的物理像在模拟一些难以计算、但是很好规定的基础问题”,Balibar说。理论也许预测了理想物质中一系列的未发现特性,然而在极端条件下控制这样奇怪的材料很难。“真实的物质有缺陷和表面态”,他还说,“所以我们对真实物质的了解还远不完整。”

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