科技日報記者 張佳欣

奧地利因斯布魯克大學(xué)研究團隊在旋轉(zhuǎn)的二維超固體中首次觀察到量子渦旋，這為長期尋找的無旋超流體流入超固體的現(xiàn)象提供了確切證據(jù)，標志著調(diào)制量子物質(zhì)研究邁出了一大步。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

超固體是一種近年來才被驗證的新型量子物質(zhì)狀態(tài)，它同時具備超流體和固體的特性。這種獨特的物質(zhì)狀態(tài)可在極低溫的偶極量子氣體中人工生成。

物質(zhì)同時展現(xiàn)固體和超流體的屬性似乎違背直覺。然而，量子力學(xué)原理允許這樣的狀態(tài)存在。盡管科學(xué)家已經(jīng)通過直接成像技術(shù)展示了構(gòu)成超固體中的“固體”特性的晶體排列，但其超流體特性則更為隱秘?？茖W(xué)家一直在探索超流體現(xiàn)象的不同方面，但是證明超流體核心特征之一——量子渦旋的存在卻異常困難。

此次，研究團隊結(jié)合理論模型與前沿實驗，在偶極超固體中成功創(chuàng)造了渦旋并對其進行了觀察。他們確認了超流動性的一個關(guān)鍵缺失環(huán)節(jié)，即系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)作出響應(yīng)時表現(xiàn)為量子渦旋的出現(xiàn)。首次在超固體中觀測到的小尺度量子渦旋呈現(xiàn)出與之前預(yù)期不同的特性。

2021年，該團隊利用極冷的鉺原子氣體創(chuàng)造了首個長壽命的二維超固體。在新研究中，他們基于理論指導(dǎo)，采用高精技術(shù)，借助磁場溫和地攪動超固體。因為液體不具備剛性旋轉(zhuǎn)的能力，因此這種攪拌促成了量子渦旋的生成，這是超流體動力學(xué)的一個顯著標志。

這項歷時接近一年的實驗，揭示了超固體中渦旋動態(tài)與非調(diào)制量子流體之間的顯著區(qū)別，同時也為理解這些奇異量子態(tài)中超流體和固體特性如何共存及互動提供了新的視角。