量子气体中首次实现二维超固体

近日，奥地利和德国科学家合作，首次在偶极量子气体中实现二维超固体。相关研究成果发表在《自然》杂志上，为进一步研究这种非凡的物质状态开创了新的机会。

超固体是物质的矛盾相，它既有晶体态中原子规则排布的特征，又可以像超流体一样无摩擦流动。两年前，三个独立研究团队首次成功在三个涉及偶极原子量子气体的实验中观察到了超固体的特征。磁性原子的相互作用特性使得这种自相矛盾的物质量子力学状态能够在实验室中产生。

其中，来自因斯布鲁克大学实验物理研究所和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的弗朗西斯卡·费尔莱诺教授领导的研究团队证明了在特定的相互作用条件下，磁性气体经历了向超固态的相变。研究者利用磁性相互作用使原子将自身组织成液滴并以规则模式排列。

但是到目前为止，量子气体中的超固体状态仅能观察到一系列液滴（沿一个维度）。现在，来自费尔莱诺研究团队的马太·诺尔恰说：“通过与两位理论家，汉诺威大学的路易斯·桑托斯和因斯布鲁克大学的鲁塞尔·比塞特合作，我们成功将这种现象扩展到二维，创建了具有两排或更多排液滴的系统。”

诺尔恰说：“通常你会认为每个原子都在某个液滴中，而不会改变位置。然而，在超固体状态下，每个粒子在所有液滴中都是离域的，它同时存在于每个液滴中。因此，可以认为这是一个有许多高密度区域（液滴），并共享相同的离域原子的系统。”尽管存在空间秩序，但这种奇异的结构可以实现无摩擦流动等效果（超流动性）。

将量子气体中的超固体状态从一维拓展到二维，这不仅是数量上的差异，而且决定性地拓宽了研究视野。例如，在二维超固体系统中，人们可以研究涡流是如何在几个相邻液滴之间的开口中形成的。已在展望未来的弗朗西斯卡·费尔莱诺说：“这些理论上描述的涡流尚未得到证实，但它们代表了超流体的重要后果。”