量子涡旋证实了超固体中的超流体

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超固体是一种最​​近才被证实的新型量子物质。这种物质状态可以在超冷偶极量子气体中人工产生。由因斯布鲁克物理学家 Francesca Ferlaino 领导的团队现已证实了超流体的一个缺失特征，即系统对旋转的响应中存在量化涡旋。他们在超固体中观察到了微小的量子涡旋，其行为也与之前的假设不同。
该项研究成果发表在《自然》杂志上。
物质同时表现为固体和超流体似乎是不可能的。然而，50 多年前，物理学家预测量子力学允许这样一种状态，即一组难以区分的粒子可以同时表现出看似矛盾的性质。
“这有点像薛定谔的猫，既活着又死了，超固体既是刚性的又是液体的，”因斯布鲁克大学实验物理系和奥地利科学院（ÖAW）量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的 Francesca Ferlaino 解释道。
虽然超固体的“固体”性质的晶体排列方式已得到直接成像，但超流体的特性却难以捉摸。虽然研究人员已经探索了超流体行为的各个方面，例如相位相干性和无间隙戈德斯通模式，但超流体的定义特征之一——量子化涡旋——的直接证据仍然难以捉摸。
现在，一项重大突破是，终于在旋转的二维超固体中观察到了量化涡旋，这提供了期待已久的无旋转超流体流入超固体的证实，标志着调制量子物质研究向前迈出了关键一步。
具有挑战性的实验
在这项新研究中，科学家将理论模型与尖端实验相结合，在偶极超固体中创建并观察涡旋——这一壮举被证明极具挑战性。因斯布鲁克团队此前曾在 2021 年取得突破，在铒原子超冷气体中创建了第一个长寿命二维超固体，这本身就是一项艰巨的任务。
“下一步——开发一种在不破坏其脆弱状态的情况下搅拌超固体的方法——需要更高的精度，”主要作者伊娃·卡索蒂 (Eva Casotti) 解释道。
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。由于液体不会刚性旋转，这种搅拌会形成量化涡流，这是超流体的流体动力学指纹。
Francesca Ferlaino 补充道：“这项工作对于理解超固体的独特行为及其在量子物质领域的潜在应用迈出了重要一步。”
此外，该实验历时近一年，揭示了超固体和未调制的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的量子态中共存和相互作用提供了新的见解。
探索新物理学
这一发现的影响远远超出了实验室的范围，可能影响从凝聚态物理学到天体物理学的各个领域，在这些领域中，类似的量子相可能在极端条件下存在。
指导该项目理论开发的托马斯·布兰德说：“我们的发现为研究具有多重对称性破缺的奇异量子系统的流体动力学特性打开了大门，例如量子晶体甚至中子星。”
“例如，人们认为中子星中观察到的旋转速度变化（所谓的故障）是由中子星内部的超流体涡旋引起的。我们的平台提供了在地球上模拟此类现象的机会。人们还认为超流体涡旋存在于超导体中，超导体可以无损地导电。”
我们的工作是研究新物理学道路上的一个重要里程碑，”Francesca Ferlaino 说。
“我们可以在实验室中观察到自然界中只有在极端条件下才会发生的物理现象，例如中子星。”