丹麦科学家发现了偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的新超固相

物质通常以三种不同的形式存在：固体，液体或气体。然而，以往的物理学研究揭示了其它奇怪的物质状态，其中之一就是超固定性。在超固体状态下，颗粒被排列成刚性晶体，超固体有很多神奇的特性，例如所有分子都表现得像同一个分子，熵为零，黏度为零，无摩擦力并且能像液体一样流动，同时维持其晶格结构等等。虽然这可能看似矛盾，但量子力学定律允许这种状态。

丹麦奥胡斯大学的研究人员最近开展了一项研究，揭示出了偶极玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的超固体性，这是一种将单独的原子冷却到接近绝对零度，并联合成一个单一的量子力学实体。结晶发生关键点，并出现了一种新的超固相，其特点是具有接近完美的超流性的规则蜂窝状图案。

研究员托马斯·浦尔（Thomas Pohl）说：“50多年前就有超固态的推测，直到最近，超固性一直难以观察，其中新超固相是通过非常稀释的原子气体的实验给出的，这些原子在接近绝对零度的温度下被激光冷却和捕获，在如此极端的条件下，原子可以***同形成一个所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体，这是一种代表理想的无摩擦超流体的量子态。然而，由于超固体状态的奇异性质，人们自然不会想到这种稀释的，自由流动的液体可以结晶。我们想要搞清楚，如果原子以合适的方式相互作用，这是否可能成为可能。“

在21世纪初期，研究人员提出由粒子形成的偶极玻色爱因斯坦凝聚体，就像小磁铁一样，可以在相当长的距离内相互吸引和排斥。在他们的研究中，浦尔和他的同事张永昌（Yongchang Zhang）以及法比安·莫彻（Fabian Maucher）观察到，这种偶极凝聚体中的量子涨落可以导致在临界点（即，物质的两相变得无法区分的时刻）的结晶。

这意味着偶极冷凝物实际上可以是超固体，这是研究人员在开始研究时所希望的。然而，他们的计算产生了进一步的惊喜，特别是与量子流体结晶的方式有关。

张永昌说：“当我们将冰块放入一杯水中时，它需要一些时间才能完全融化，换句话说，水在熔化或冷冻过程中可以液体和固体形式***存，这种行为对于许多其他物质来说是典型的状态。令人惊讶的是，我们发现超固体以一种特殊的方式冻结，原子是完全的液体或完全固体，流体和晶体在两相转变而不***存的地方变得几乎相同。“

浦尔，张永昌和莫彻进行的分析研究揭示了一种与他们原先预期完全不同的新型超固体。代替原子排列在典型的晶格上，发现偶极量子流体形成蜂窝状的管道结构。

在这种结构中，偶极子原子可以沿着超流体“蜂窝”的脊部自由移动。研究人员发现了这种奇特的物质形态，在这种物质中，粒子可以流过一个纯粹由液体本身固定在一起的常规网络，粘度几乎为零，极其迷人。

莫彻说：“我们的理论研究是基于宏观量子力学波函数的分析和数值模拟，它描述了玻色-爱因斯坦凝聚体中偶极子原子的状态。正如以前的研究结论所指出的，一个特别重要的方面是在描述中包括量子力学相关和量子波动。实际上，事实证明，蜂窝状固体及其不寻常的冻结行为是由这种量子波动促进的。“

由浦尔，张永昌和莫彻进行的研究引入了一种新型的超固态，正如他们的发现所表明的那样，可以追溯到偶极凝聚态中量子涨落的影响。在未来，他们计划进一步调查这些研究结果，并开展更多关于偶极玻色 - 爱因斯坦凝聚物的研究。同时，其他研究团队也在 探索 理论和实验中偶极量子流体的行为。

张永昌表示：“就在最近，由斯图加特大学，佛罗伦萨大学和因斯布鲁克大学三个实验组已独立观察到了规则排列的超固体微米尺度的量子液滴的形成。这些实验成果提供了一个很有希望的前景，并且澄清在哪些条件下可以用偶极子原子观察。当然，偶极量子流体已经成为一个激动人心的新的超固体平台，其行为将继续挑战我们的认知，并揭示出关于这种迷人的物质量子态的新见解。“

三位科学家的研究论文发表在《物理评论快报》上。