科学家首次搅拌奇异的“超固体”物质

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科学家周三表示，他们首次成功搅拌了一种被称为“超固体”的奇异物质，它既是刚性的又是流体的，这为这种量子奇异物质的双重性质提供了直接证据。
在日常生活中，物质有四种状态——固态、液态、气态和较为罕见的等离子体。
但物理学家长期以来一直在研究所谓的“奇异”物质状态，这些状态是在极高的能量水平或接近绝对零度（-273.15摄氏度或-459.67华氏度）的温度下产生的。
在这些极端条件下，物质的行为开始与我们习惯的截然不同。
液体或气体等流体可能会遇到或多或少的流动阻力，这是通过粘度来衡量的。例如，蜂蜜比水更粘稠。
超流体是一种极冷的奇异物质，其粘度为零——没有阻力，因此可以自由流动。
如果在杯子中搅拌超流体，它将无限地流动而不会减慢速度。
半个多世纪以前，物理学家就预测了“超固体”状态的存在。
它是一种同时具有固体和超流体特性的物质，其中一部分原子可以无摩擦地流过刚性晶体结构的晶格（点或物体的规则排列）。
“就像格鲁耶尔奶酪上的洞一样”
研究人员之前已经通过多种方式观察了超固体内部的这些晶体结构。
但奥地利因斯布鲁克大学的物理学家弗朗西斯卡·费莱诺说，对这种物质流动的奇异方式的直接观察仍然难以实现。
直到周三，费莱诺领导的一项新研究在《自然》杂志上发表。
费莱诺告诉法新社，研究小组成功搅动超固体，观察到微小的漩涡（称为量化涡旋），这是“超流体的确凿证据”。
“想象一下，你喝着一杯咖啡，用勺子轻轻搅拌一下，”她解释道。
“你会看到咖啡围绕着中心旋转，如果你仔细观察，可能会发现中间有一个漩涡，液体在那里旋转得最快。这是普通流体中涡流的典型例子。”
现在想象一下咖啡被超流体取代。
“如果你慢慢旋转勺子，你会惊讶地发现超流体根本没有跟着勺子旋转——它保持静止，好像没有任何东西打扰它一样，”费莱诺说。
“然而，如果你把勺子旋转得更快，而不是在中心形成一个大漩涡，就会发生一些奇妙的事情。一系列微小的漩涡或量化的涡流开始出现，”她说。
“它们就像流体中的小孔，每个小孔都以特定的速度旋转，”她解释道。
“相反，它们在超流体表面排列成美丽而规则的图案，几乎就像一块格鲁耶尔奶酪上的孔一样，但组织得非常完美。”
爆炸的星星
2021 年，因斯布鲁克大学的研究团队通过在实验室中将特定原子和分子冷却到极低温度，创造了一种长寿命的二维超固体。
该研究的主要作者伊娃·卡索蒂说：“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。”
研究团队利用磁场小心地旋转超固体，将其搅动起来，形成漂亮的量化涡旋。
费莱诺说：“我们的发现为我们提供了超固体双重性质的有力而直接的证据。”
研究人员表示，这一突破将使得在实验室中模拟通常只在真正极端条件下才会发生的现象成为可能。
这包括中子星中心发生的情况，即大质量恒星变成超新星后留下的极其致密和紧凑的核心。
参与该项目的托马斯·布兰德在一份声明中表示： “据推测，中子星观测到的旋转速度变化（所谓的故障）是由中子星内部的超流体涡旋引起的。”