科学家揭示了既是固体又是超流体物质的不可能状态

诸平

Fig.1 Scientists have observed superfluid vortices in supersolids, marking a milestone in quantum research. By rotating a supersolid, researchers revealed unique vortex behaviors, with potential applications across quantum physics and astrophysics. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 Simulation of quantum vortices superimposed with experimental data. Credit: University of Innsbruck, Austria

据奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck, Innsbruck, Austria)2024年11月8日提供的消息，突破物理学：科学家揭示了既是固体又是超流体物质的不可能状态(Breaking Physics: Scientists Reveal “Impossible” State of Matter That’s Both Solid and Superfluid)。

首次观测到超固体量子气体中的微型龙卷风（First-Ever Observation of Mini-Tornadoes in Supersolid Quantum Gas）

在一项突破中，科学家通过观察量子化的涡流证实了超固体的超流体特性。利用精密技术，该团队搅拌了一个旋转的超固体，揭示了独特的涡旋动力学(vortex dynamics)，并为固体和流体特性的共存提供了新的见解。这一发现为研究奇异量子物质（exotic quantum matter）铺平了道路，并对天体物理现象产生了影响。

超固体：一个量子悖论（Supersolids: A Quantum Paradox）

同时表现为固体和超流体的物质听起来是不可能的。但50多年前，物理学家预测量子力学可以允许这种状态。在这种独特的状态下，粒子的集合表现出看似矛盾的特性。

因斯布鲁克大学实验物理系（Department of Experimental Physics at the University of Innsbruck）和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所{Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) at the Austrian Academy of Sciences}的弗朗西丝卡·费莱诺（Francesca Ferlaino）解释说：“这有点像薛定谔猫（Schrödinger’s cat），既是活的又是死的，超固体既是刚性的又是液体的。”

虽然科学家们已经成功地直接观察到赋予超固体它们固体性质的晶体结构，但它们的超流体性质却更加难以捉摸。研究人员已经研究了超流体行为的各个方面，比如相位相干性和无间隙戈德斯通模式（gapless Goldstone modes），但他们还没有找到超流体一个关键特征的直接证据：量子化漩涡（quantized vortices）。

在一项重大突破中，在旋转的二维超固体中已经观察到量子化的漩涡。这一发现提供了人们期待已久的超流体在超固体中流动的证据，标志着调制量子物质（modulated quantum matter）研究的重大进展。相关研究结果于2024年11月6日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Eva Casotti, Elena Poli, Lauritz Klaus, Andrea Litvinov, Clemens Ulm, Claudia Politi, Manfred J. Mark, Thomas Bland, Francesca Ferlaino. Observation of vortices in a dipolar supersolid. Nature, 6 November 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08149-7

参与此项研究的有来自奥地利科学院（Austrian Academy of Sciences / Österreichische Akademie der Wissenschaften, Innsbruck, Austria）和奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck / Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria）的研究人员。

具有挑战性的实验和精密技术(Challenging Experiment and Precision Techniques)

在这项新研究中，科学家们将理论模型与尖端实验结合起来，在偶极超固体（dipolar supersolids）中创造和观察旋涡，这一壮举被证明是非常具有挑战性的。因斯布鲁克大学的研究团队之前在2021年取得了突破，他们在超冷的铒（erbium, Er）原子气体中创造了第一个长寿命的二维超固体，这本身就是一项艰巨的任务。

该研究的主要作者伊娃·卡索蒂(Eva Casotti)解释说：“下一步要想在不破坏超固体脆弱状态的情况下搅拌超固体，需要更高的精度。”研究人员利用理论指导下的高精度技术，利用磁场小心地旋转超固体。由于液体不是刚性旋转，这种搅拌导致了量子化漩涡的形成，这是超流动性的流体动力学指纹（hydrodynamic fingerprints）。

弗朗西丝卡·费莱诺评论说：“这项工作是理解超固体的独特行为及其在量子物质领域的潜在应用的重要一步。”

此外，该实验耗时近一年，揭示了超固体和未调制量子流体中涡旋动力学的显著差异，并为超流体和固体特性如何在这些奇异量子态中共存和相互作用提供了新的见解。

探索新的物理学和天体物理学的联系(Exploring New Physics and Astrophysical Connections)

这一发现的意义远远超出了实验室，潜在地影响着从凝聚态物理到天体物理学的各个领域，在这些领域，在极端条件下可能存在类似的量子相。

指导该项目的理论发展的托马斯·布兰德（Thomas Bland）说：“我们的发现为研究具有多重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（quantum crystals）甚至中子星（neutron stars）。如假设在中子星中观察到的所谓小故障（glitches）的转速变化，是由中子星内部的超流体涡流引起的。我们的平台提供了在地球上模拟这种现象的机会。超流体漩涡也被认为存在于超导体中。”

弗朗西丝卡·费莱诺说：“我们的工作是研究新物理学的一个重要里程碑。我们可以在实验室里观察到自然界中只有在极端条件下才会出现的物理现象，比如中子星。”

本研究得到了奥地利科学基金{ QuantERA grant MAQS by the Austrian Science Fund (FWF) (no. I4391-N), Austrian Science Fund (FWF) (no. I-4426), Austrian Research Promotion Agency (FFG) (no. FO999896041) and by the Austrian Science Fund (FWF) Cluster of Excellence quantA (10.55776/COE1)}、奥地利研究促进机构FFG（Austrian Research Promotion Agency FFG）以及欧洲研究理事会{European Research Council through the Advanced Grant DyMETEr (no. 101054500)}的资助。

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Abstract

Supersolids are states of matter that spontaneously break two continuous symmetries: translational invariance owing to the appearance of a crystal structure and phase invariance owing to phase locking of single-particle wavefunctions, responsible for superfluid phenomena. Although originally predicted to be present in solid helium^1,2,3,4,5, ultracold quantum gases provided a first platform to observe supersolids^6,7,8,9,10, with particular success coming from dipolar atoms^8,9,10,11,12. Phase locking in dipolar supersolids has been investigated through, for example, measurements of the phase coherence^8,9,10 and gapless Goldstone modes¹³, but quantized vortices, a hydrodynamic fingerprint of superfluidity, have not yet been observed. Here, with the prerequisite pieces at our disposal, namely a method to generate vortices in dipolar gases^14,15 and supersolids with two-dimensional crystalline order^11,16,17, we report on the theoretical investigation and experimental observation of vortices in the supersolid phase (SSP). Our work reveals a fundamental difference in vortex seeding dynamics between unmodulated and modulated quantum fluids. This opens the door to study the hydrodynamic properties of exotic quantum systems with numerous spontaneously broken symmetries, in disparate domains such as quantum crystals and neutron stars¹⁸.