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新发现！超固体中的量子龙卷风

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-12-24 12:46

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微观涡旋的新观测结果证实了一种矛盾物质形态的存在，该形态也可能出现在中子星内部。

超固体旋转时，会自发形成漩涡。

奥地利阿尔卑斯山崎岖的山峦之间，坐落着一座实验室。在实验室中，稀土金属在炉中迅速气化，以战斗机般的速度从炉中喷射而出。随后，激光与磁脉冲将气体速度减缓至近乎静止的状态，并使其降温到低于深空的温度。气体中大约5万个原子在此过程中失去独立性，形成一个单一状态的整体。最后，只需轻轻转动周围施加的磁场，迷你“龙卷风”便在黑暗中盘旋而生，翩翩起舞。

三年以来，物理学家弗朗西斯卡·费尔莱诺（Francesca Ferlaino）携她领导的因斯布鲁克大学团队，致力于捕捉这些量子尺度的漩涡的动态影像。今年夏天，在参观她的实验室时，费尔莱诺表示：“很多人告诉我这是不可能拍摄到的。但我坚信，我们一定能成功。”

如今，该团队在《自然》期刊上发表了一篇论文，发布了漩涡的快照，证实了人们苦寻不获的奇异的超固体物质的存在。

超固体是一种矛盾的物质状态，既是最坚硬的固体，又是流动性最强的液体。自1957年被预测存在以来，就令凝聚态物理学家着迷不已。尽管该相存在的迹象层出不穷，但这项新实验为其存在提供了最后一份重要证据。作者认为，超固体中形成的漩涡有助于解释从高温超导体到天体等多种系统的特性。

这些漩涡有可能揭示物质在宇宙中某些极端条件下的状态。脉冲星是旋转的中子星，是恒星燃烧殆尽后形成的密度极高的残骸。科学家们怀疑，脉冲星内部可能是超固体。“这实际上是一个非常好的中子星模拟系统，我对此感到激动，”英国伦敦皇家霍洛威学院的物理学家凡妮莎·格雷伯（Vanessa Graber）表示道。她专注于脉冲星领域的深入研究。

刚性与流动性

想象一下，转动一个装满不同物质的桶。由于桶与物质刚性原子晶格之间的摩擦，固体将随容器一起旋转。而液体由于内部摩擦力较小，则会在桶的中心形成一个大漩涡。（靠近桶壁的原子随桶一起旋转，而相对内部的原子则较为滞后。）

如果将某些液体冷却到足够低温和低密度的状态，液体中的原子就会在更远的距离范围内产生相互作用。最终，原子连接成一个能够完美流动，且没有任何摩擦的巨大波浪。该现象被称为超流体现象，它最早于1937年，由俄罗斯和加拿大的物理学家在氦气中发现。

因斯布鲁克大学的物理学家弗朗西斯卡·费尔莱诺观察到了超固体的标志性特征。图源：M·范多里（M Vandory）/因斯布鲁克大学

试着旋转一桶超流体，即使桶在旋转，超流体仍会保持静止，并与桶产生摩擦，但当桶达到一定转速时，超流体才会完全不受摩擦力的影响。此时，超流体抵抗旋转的冲动，突然生成一个量子漩涡——这是一股围绕着一根延伸至桶底的虚无柱体旋转的原子漩涡。继续加快桶的转速，就会有更多完美的迷你“龙卷风”在桶的边缘生成。

在超流体发现20年后，美国物理学家尤金·格罗斯（Eugene Gross）提出，固体中也可能出现同样的量子集体现象（quantum collectivism）。物理学家们为了这种奇异的超流体-固体混合体是否存在的问题争论了数十年之久。最终，超固体的理论图景逐渐清晰浮现。通过调整超流体周围的磁场，可以减少原子之间的排斥，使原子聚集在一起。这些原子聚集体倾向于顺磁场方向排布，但原子之间又会相互排斥，从而在保持其奇特的无摩擦力现象的同时，自发组织成晶体结构。

将超固体放入旋转的桶中，原子会同步转动，使聚集体的晶格看起来好似随容器一起旋转一般，这体现出超固体类似于固体的特性。然而，恰如超流体一样，当旋转速度足够快时，这种物质仍会分裂成漩涡，这些漩涡会被固定在原子聚集体之间。因此，超固体同时具有刚性和流动性。

格罗斯的预测开启了在实验室中寻找超固体的漫长之旅。

·理论模拟（左图）·实验数据（右图）

在这些超固体中的镝原子二维密度图（以及三维重建图）中，密集的原子团块呈现出晶体排列，而量子漩涡则形成于空间间隙。

费尔莱诺团队

2004年，研究人员首次宣布了一项有关超固体物质状态的发现，但随后又撤回了声明。直到2017年和2019年，斯图加特、佛罗伦萨和因斯布鲁克的研究团队又相继发现了一维系统中的超固体信号。团队以镝和铒原子气体作为研究的切入点，这些原子本身具有足够的磁性，像小块的条形磁铁一样。施加磁场后，原子会自然聚集成规律间隔的团块，形成晶体晶格。然后，当研究人员降低温度和密度时，原子之间的相互作用会使它们呈相干波的形式自然振荡，并具备超流体的所有特征。

“2019年的实验让我们窥见了超固体的‘两种相互竞争的性质’，”因斯布鲁克团队的研究生埃琳娜·波利（Elena Poli）表示。从那以后，该团队将假定的超固体从一维扩展到二维，并探测超固体中被认为存在的两种不同的特性。

但麻省理工学院物理学家、斯图加特团队前成员詹斯·赫特科恩（Jens Hertkorn）认为：“能够证明超固体存在的确凿证据在目前研究中反而是缺失的。”超流体的标志是旋转时产生的漩涡阵列。尽管多年来人们一直在努力尝试，“但是，没有前人成功使超固体旋转过，”赫特科恩说道。

使超固体旋转

为了观察超固体对旋转的响应，因斯布鲁克小组把磁场当做“勺子”，以每秒约50次的频率搅动原子内部的磁场。这一速度足以触发漩涡，但又足够温和，以保持量子相。费尔莱诺表示：“这是一个极其微妙的状态——任何微小的变化都会破坏它。”

这些小“龙卷风”的发现过程是一个更大的挑战。团队花了三年时间追踪量子风暴。最终，他们执行了特伦托大学物理学家阿莱西奥·蕾卡蒂（Alessio Recati）在2022年提出的方案。蕾卡蒂建议在超固体相中形成漩涡，然后将材料重新熔化成超流体，以便以更高的对比度对漩涡进行成像。

弗朗西斯卡·费尔莱诺的实验室。拍摄者：帕特沙伊德（Patscheider）

去年年初的某天周五晚上，三名研究生携一台笔记本电脑，兴冲冲地迈入因斯布鲁克校园附近的一家灯光幽暗的酒吧。他们来寻找团队里的两名博后，这二位博后证实，他们已经在量子气体中捕捉到了“龙卷风”。“这激动人心了，”博后托马斯·布兰德（Thomas Bland）欢呼道。研究生们回到实验室，留布兰德和他的同事继续在酒吧庆祝。

“我们都相信这就是一个量子漩涡，”未参与该实验的蕾卡蒂说道。蕾卡蒂正在等待实验人员测量龙卷风的旋转速度，以充分证实理论预测，但他认为，仅凭这些图像就足以令人信服。“这对物理学界意义重大。”

赫特科恩希望其他团队能够复现这一结果，并追踪信号在不同实验条件下的变化情况。不过，他还是对因斯布鲁克团队的坚持不懈的精神表示赞赏，该团队进行了如此富有挑战性的测量。他表示：“从实验的角度来看，能够观察到这一现象的确值得赞叹。”

宇宙的连接

今年五月，埃塞基尔·祖比埃塔（Ezequiel Zubieta）在布宜诺斯艾利斯郊外的小镇上吃午餐时，看到他笔记本电脑屏幕上出现了一颗正在剧烈震动的死亡恒星。祖比埃塔是就读于拉普拉塔国立大学的一名天文学研究生，他一直在跟踪维拉脉冲星的稳定旋转，该脉冲星是约11000年前爆炸的一颗巨型恒星的磁性残骸。

维拉脉冲星旋转时，会从极点发出辐射束，地球上观测到该星每秒闪烁11次，其规律性可与人类所能制造出的最精准的时钟相媲美。但那天，这颗恒星的自转速度却比平时快了约24亿分之一秒。

美国国家航空航天局（NASA）钱德拉X射线天文台（CXC）拍摄的一段视频显示，维拉脉冲星（一颗距离地球约1000光年的中子星，每秒自转11次）喷射出粒子束。这些弓形的粒子束是从星体疾速逃逸的物质所产生的冲击波。

几十年来，天文学家们一直好奇是什么导致这些巨大的天体突然加速旋转。人们希望这些脉冲星的突然加速现象能帮助他们破解这些奇特的宇宙灯塔的内部工作机制。

科学家们知道，恒星遗骸内部聚集着高密度的中子，仅一茶匙量的中子星物质的重量堪比一座珠穆朗玛峰。但是，没人清楚在该条件下中子会发生什么变化。不过，天文学家怀疑，在恒星坚固外壳之下，受到挤压的中子会形成团块，并呈现出奇异的形状，他们通常称之为“核意大利面”（或“核子意面”）。主流模型所呈现的形态则类似于马铃薯汤团、意大利面和千层面的形状。

在2022年的一次会议上，费尔莱诺无意中听到一些天文学家在讨论“核意大利面”的假想性质。许多人认为，这些类似意大利面的中子团块会合并形成超流体，但尚不清楚这种物质为何会导致突然的自转加速现象。费尔莱诺怀疑，这些突然加速现象可能是她正研究的超固体的迹象，于是她决定展开调查。

中子星内部填满的高压中子会呈现出一系列形状，研究者称之为“核意大利面”。图源：费尔莱诺团队

去年，费尔莱诺团队使用他们制备的超固体计算机模拟来建模，探究如果类似物质存在于旋转的中子星内部时，会发生什么。他们发现，在涡旋形成后，其中一个漩涡可能会被挤出，并撞击邻近的漩涡，从而引发“龙卷风”和“雪崩”现象。随即提出，这些“龙卷风”碰撞达到一定次数时，会短暂加速中子星的旋转，从而导致突然加速的现象。

几年前，格雷伯曾发表过关于实验室中子星模拟的综述，在偶然读到这篇论文时，她感到非常激动。她回忆起自己看到论文中描述的旋转超固体的各种特性时的想法：“哦，我的天，这篇论文中还有我能参考的一些内容。我只是浏览了一下论文，就发现其实自己已经观测到了许多项和论文描述一致的旋转超固体的特性。”

既然费尔莱诺团队已经在超固体中发现了漩涡，他们计划研究这些漩涡是如何形成、运动和消失的。他们还希望复现研究人员设想的脉冲星突然加速的机制，以展示漩涡雪崩是如何促使现实中的超固体加速旋转。物理学家还希望利用这些研究来破解其他奇异物质形态的研究。他们预计漩涡会在这些物质形态中发挥关键作用，例如辅助高温超导体的研究。

与此同时，与格雷伯和祖比埃塔一道的天文学家希望这项工作能够为脉冲星提供新的判断工具。随着对涡旋动力学理解的加深，他们或许能够通过观测脉冲星的突然加速现象，来推断“核意大利面”的组成和行为。

格雷伯表示：“对小微尺度物理机制的理解意义重大。我无法用望远镜观察中子星的内部，但却基本上能通过对微观物理层面的推断，来了解中子星的内部。”

费尔莱诺的团队正在探寻其他可能具有超固体特性的系统。她认为，超固体特性的应用反映了自然界的基本联系。她表示：“物理学无处不在，我们正在习得物理学的游戏规则。”

作者：Zack Savitsky

翻译：边颖

审校：virens

原文链接：Physicists Spot Quantum Tornadoes Twirling in a ‘Supersolid’

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