什么是超固体

量子物质的研讨展现了很多令人惊奇且常常违反直觉的征象，此中之一便是“超固体”的看法。超固体，这一在半个世纪前被提出的物态，团结了固体与超流体两种看似分歧的特性。

固体通常以其布局刚性和安稳的原子分列为特性，而超流体则体现出无摩擦的活动性和缺乏布局的流利性。超固体的看法挑唆了传统的物质看法，它提出了一种既具有晶体布局（如固体）又具有超流特性（如超流体）的形态。

超固体的实际基本

超固体的看法初次由物理学家尤金·格罗斯在20世纪60年代提出，随后诺贝尔奖得主菲利普·安德森等人对其举行了进一步研讨。他们最初的研讨兴致源于探究在极温度低条件下氦-4原子的共同举动。氦-4在特定条件下可以体现出超流性，这是一种量子力学形态，此中原子可以无摩擦地活动。超固体的看法由此延伸：在充足温度低和高压的情况下，氦-4原子大概会盲目构成一种刚性的晶体布局，同时体现出相似超流体的特性。

从实际角度来看，超固体形态必要满意两个主要特性：

• 晶体有序：原子或分子分列成周期性、类晶体的布局，相似于传统固体中的原子分列。

• 超流性：物质在活动时没有黏性，体现出相似超流氦的举动特性，如零活动阻力和历久的循环活动。

这种团结十分难以完成，由于晶体有序要求原子地点安稳，而超流性则必要一种非局域化、相似流体的原子分列。但是，量子力学为这种分歧的形态提供了一条途径。依据量子原理，温度低体系中的粒子可以处于叠加态，体现出一系列约莫的定位。超固体中的原子由于量子涨落而充足“含糊”或非局域化，从而在安稳的布局内完成某种活动性。

实行发觉及其验证之路

自提出以来，研讨职员恒久以来都在试图从实行上验证超固体的存在。在氦-4这一最初被以为约莫完成超固体的质料上，只管研讨取得了一些幽默的后果，却一直没有取得确凿的证据。2004年，宾夕法尼亚州立大学的物理学家莫西斯·陈和金恩成举行了一项关于固体氦-4的实行，并称察看到了与超固体切合的特性。他们报告称，当固体氦-4冷却至接近相对零度时，其旋转惯性减小，表现固体晶格和某种超流因素之间约莫存在局部析耦征象。

这一发觉引发了广泛眷注，由于它仿佛提供了超固体的首个实行证据。但是，进一步的研讨展现了却果的很多不一律之处。到2012年，大大多物理学家以为最初的发觉不够可靠，将观察到的特别归因于其他征象，如氦样品的弹性特性，而非真正的超固体形态。

在超冷原子气体中完成超固体

超固体研讨的重点从氦转移到了超冷原子气体中，这种体系使得封建家可以更好地控制粒子之间的互相作用。2017年，由苏黎世联邦理工学院的蒂尔曼·埃斯林格和因斯布鲁克大学的弗朗西斯卡·费尔莱诺向导的两个独立研讨小组分散使用镝和铒的超冷原子气体告捷创造出了超固体形态。

他们的办法依托于玻色-爱因斯坦凝结（BEC），这是一种在接近相对零度的温度下构成的物质形态，此中原子会萃在同一量子态中，全体上体现为单一量子实体。经过准确调停原子之间的互相作用，并使用光学晶格和磁场，研讨职员在原子气体中诱导出周期性的密度调制，构成了相似于固体的布局。令人惊奇的是，这些体系同时保存了超流性，即在无摩擦卑劣动的特性，满意了对超固体的双紧张求。

在原子气体中完成超固体是一个紧张的打破，初次在实行上验证了这一长时以来仅限于实际上的征象。该实行标志着了解超固体繁复物理学的首个实践步调，展现了量子力学、晶体布局和超流性的深层接洽。

超固体的量子力学：一种新的物质形态

超固体形态展现了量子力学怎样招致一些在经典物理学中难以了解的征象。在经典物理学中，固体与超流体的互斥性将扫除超固体的存在。但是在量子力学中，粒子具有波粒二象性。在超固体中，粒子的动摇性使其可以超过晶格布局完成非局域化，从而在晶格纪律中保存活动性。

玻色-爱因斯坦凝结征象是超固体形态的紧张因素之一，是一种量子效应，多个粒子占据最低约莫的能量形态，并作为单一量子实体举动。在超固体中，这种玻色-爱因斯坦凝结体履历密度调制，构成相似晶体的分列，同时坚持零黏性。

超固体的物理学拓宽了我们对量子相变和破缺对称性的了解。在经典体系中，相变（如从液体到固体）触及对称性的厘革，如液体的旋转对称性被冲破，构成有序的固体布局。而超固体则同时冲破了两种对称性：平移对称性（产生晶体有序）和相位对称性（产生超流性），从而为了解量子相变提供了新的视角。

超固体的使用与影响

只管超固体的研讨现在主要范围于实行条件，它的发觉对量子盘算和质料封建等多个范畴具有深远影响。比如，量子盘算机约莫会从具有固态安定性和超流体般干系特性的质料中获益，从而提高量子比特的安定性和干系时间。超固体还约莫引发新的量子武艺，其共同形态将安定性与超流体特性相团结，为新型量子器件提供了约莫性。

超固体还可以推进量子湍流的研讨，即量子流体中触及混沌活动的征象。由于超固体兼具固体和流体特性，可以让封建家更好地探究在既有纪律又无摩擦活动的体系中湍流怎样体现。这项研讨约莫对了解天体物理学中的繁复流体动力学具有广泛使用，如中子星，这种天体被以为在极度条件下包含超流体因素。

别的，超固体还为实际物理学和奇异物质的研讨开发了新途径。经过研讨超固体，封建家可以加深对破缺对称性、相变等征象的了解，这些是粒子物理学标准模子的中心看法。这些看法乃至约莫为一致量子力学与其他物理实际提供线索，或有助于量子引力或其他未解物理范畴的研讨。

挑唆与将来朝向

只管在超冷原子气体中完成超固体是一项紧张历程，但仍旧存在严重挑唆。比如，在其他质料（包含更易取得的元素或化合物）中完成超固体，将拓展实行研讨和潜伏使用的范围。如今的超固体体系繁复，必要高度控制的实行条件，这限定了但是际使用。

另一个挑唆在于更好地了解超流体与超固体形态之间的过渡。实际模子标明，不同典范的互相作用可以安定超固体性，但这些互相作用的确切实质，尤其是在原子气体以外的质料中，仍未解清。随着实行武艺的改良，研讨职员约莫会在更实践的情况中创造超固体，比如在固态质料或繁复的量子装备中。

别的，超固体的基本特性仍旧有待进一步探究。它们在时间上对否安定？它们的超流特功可否在更繁复的分列中被使用，其晶体布局和超流性的共存性有哪些限定？回复这些成绩必要进一步的实行和实际模子的完满。

泉源：万象履历

编纂：凉渐