MIT創造物質新形態，一種既是晶體又是超流體的超固體

近日，MIT的物理學家又創造出一種新的物質形態：超固體。這種物質形態同時具備了固體的和超流體的性質。

研究人員用激光操縱處於玻色-愛因斯坦凝聚的氣態超流體，使它們同時進入於一種全新的量子態中——超固態。這種量子態具有晶格結構，同時還擁有超流體本身的無粘性流動特性。

理解這種明顯矛盾的物質狀態可以幫助我們更好地理解超流和超導的性質，從而極大促進超導磁體，超導感測器以及能量傳輸等行業 的發展。該項研究發表在這周的《自然》雜誌上。

MIT的Ketterle研究組：左起Furkan Cagri Top, Junru Li, Sean Burchesky, Alan O.Jamison, Wolfgang Ketterle,Boris Shteynas, Wujie Huang和Jeongwon Lee.

Wolfgang Ketterle 是麻省理工學院物理系的MacAurhur教授，也是整個團隊的領導者。他說「超固體既能流動又有固體的結構，這的確很反常識。當你攪拌一杯具有超流性的咖啡時，咖啡會永遠旋轉下去。」

物理學家們曾經預測會有超固體的存在，但迄今為止仍未在實驗室發現過它的存在。有人從理論上提出，如果可以在低溫條件下，讓處於超流體狀態下的氦原子繞著氦晶體運動，從而形成等效意義上的超固體，然而從實驗層面上來看，這個結果能否實現完全無法預知。

Ketterle團隊沒有用氦原子，而是用鈉原子實現了超固體。由於自旋數總和為偶數，鈉原子是一種玻色子，當玻色子被冷卻到接近絕對零度時就會發生玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），形成超流體。

Ketterle本人是波色-愛因斯坦凝聚態的發現者之一，憑藉這個發現他獲得了2001年的諾貝爾物理獎。

這次實驗中，研究團隊用了另一個看家技術，通過激光冷卻和蒸發冷卻將鈉原子冷卻到了納凱爾文（十億分之一度）的級別。

Ketterle表示，整個實驗中最大的挑戰是從超流向超固的轉變。

之前的理論現實，BEC態中的原子如果發生「自旋-軌道耦合」（spin-orbit coupling，即粒子的自旋和運動之間產生相互作用），便會因為自發的「密度調製」而產生固體的晶格結構。

因此，為了得到超固體，團隊用激光操控原子的運動，使它們發生「自旋-軌道耦合」。他們在超高真空腔中，用一組激光建立了超晶格勢阱，使得BEC狀態下一半的鈉原子進入了另一個量子自旋態。接下來，另一束激光束被用來不斷將兩組原子的自旋方向不停地翻轉。

簡單來說，Ketterle團隊把兩組不同的BEC態疊加到了一起 ，產生了周期性的晶格結構。這時系統的平移對稱性被破壞，系統密度也普通的晶體一樣，不再是連續的，而是會有波一樣的樣式分布，這個分布即所謂的「帶相」。

對「密度調製」的觀察由MIT物理系的博士生Junru Li負責，他是該篇論文的第一作者。

「對系統的密度調製進行觀察是（實驗中）最困難的部分，」Junru Li 說，「其實原理很簡單，用另一束激光照射系統，密度的不均勻分布會使激光發生布拉格衍射。困難的地方在實驗細節上面，比如需要精確地調整激光， 且使整個系統處於穩定的狀態以便觀察，任何小的差錯都可能毀掉整個實驗。」

超固體是否存於自然？

目前，超固體只有在極低的溫度和超高的真空環境中才能實現。Ketterle打算做更多的實驗，來完善他們對這種新物質形態的理解 。

「我們用這些冷原子，逐步揭開了自然的種種可能性，」Ketterle解釋說，「我們的實驗證明了對超固體的預言是正確的，我們也希望以後的研究可以獲得更多的意想不到的結果。」

同一期《自然》雜誌上還發表了瑞士一個研究團隊的結果，他們用另一種方法也得到了超固體。「兩個團隊同時發現超固體，說明這種新物質形態具有極大的魅力。」Ketterle說道。

Ketterle的團隊中有博士生：Junru Li, Boris Shteynas, Furkan Cagri Top和 Wujie Huang; 本科生：Sean Burchesky; 博士後：Jeongwon Lee和Alan O.Jamison，以上所有人都在MIT的電子實驗室工作。

這項研究的贊助方為：自然科學基金，空軍科學研究辦公室和陸軍研究辦公室。

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