「可以穿越的牆面」背後物理學,科學家首度製造出二維超固體

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 20 日 17:39 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


近年來,越來越多奇異物質狀態從實驗室中製造出來,其中一種稱為「超固體(Supersolid)」,在這種狀態下所有原子都像固體一樣排列在晶格結構,但同時又能自由流動,若在科幻小說中,大概就是你可以穿過一面看似固體的牆。之前,科學家只在一個維度中實現超固體,現在物理學家首次在實驗室製造出二維超固體量子氣體。

超固體(Supersolid)聽起來可能會讓你直覺以為是超級堅硬的固體,實際上並非如此,這是一種所有分子(或原子、原子對)處於低溫玻色–愛因斯坦凝態(Bose–Einstein condensate,BEC)的物質狀態,和超流體(Superfluid)很相似,同樣具有許多神奇特性,例如所有分子都表現得像同一個分子,熵為零、黏度為零、無摩擦力且能像液體一樣流動,但同時又維持晶格結構。

該物質狀態最早由理論物理學家尤金·格羅斯於 1957 年首次預測,他提出在接近絕對零度的溫度時,固態氦-4 晶體中的空位將會凝結,轉變成和超流體一樣的零黏度狀態,但它看起來仍是固體。

2004 年,美國賓州州立大學科學家陳鴻渭宣布發現了超固體,他將固氦冷凍到極低溫、並使其在不同速度下振盪,結果發現粒子表現出無摩擦流動現象,就像發生在液氦的超流體現象,雖然後續調查發現實驗似乎出錯了,但研究人員仍繼續努力觀察固態氦的超固體相。

2017 年,兩個獨立研究團隊——蘇黎世聯邦理工學院與麻省理工學院,各自宣布觀察到原子氣體玻色-愛因斯坦凝聚態的超固體現象;到了 2019 年,奧地利因斯布魯克大學 Francesca Ferlaino 團隊首度證明了一維超固體存在,高磁性原子的 BEC 態可以在外加磁場中自發形成有序團簇,顯現出各向同性(isotropic)超流體狀態的超固體,為理論預測打開了新一條測試道路。

▲ 科幻小說中可以穿越的牆,實際上是超固體。(Source:pixabay

不過在一維超固體中,原子只能沿一個方向流動,現在,由德國漢諾威大學理論物理學家 Luis Santos 與因斯布魯克大學 Russell Bisset 領導的團隊,利用雷射將鏑-164(已知最具磁性的元素)原子冷卻至接近絕對零度的溫度並轉變為玻色-愛因斯坦凝聚態。

由於鏑-164 的高磁性,當它轉變為超流體後還會排列成液滴(droplet)像磁鐵一樣相互吸黏,而新實驗中,研究人員製造出排列成鋸齒形的液滴結構,成功將超固體誘導成二維結構。

雖然我們還不確定科學家是否有辦法製造出更大的二維超固體,更別提超固體狀態存在於極低溫度下,但這項實驗已是一大創舉,將幫助科學家破解奇怪物質相背後更深層次的物理學,比如研究渦流如何在幾個相鄰液滴之間的孔形成。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:因斯布魯克大學