物理學家首次攪拌超固體，證明了其奇異的雙重性質

科學家們周三表示，他們首次成功地攪動了一種叫做“超固體”的奇怪物質——它既是剛性的又是流體的——為這種量子奇特的雙重性質提供了直接證據(jù)。

在日常生活中，有四種物質狀態(tài)– 固體、液體、氣體和更稀有的等離子體。

但物理學家長期以來一直在研究所謂的“奇異”物質狀態(tài)，這些狀態(tài)是在極高的能量水平或寒冷到接近絕對零度（-273.15 攝氏度或 -459.67 華氏度）的溫度下產生的。

在這些極端條件下，物質開始表現(xiàn)得與我們習慣的行為截然不同。

液體或氣體等流體可能會或多或少地產生流動阻力，這是通過粘度來衡量的。例如，蜂蜜比水更粘稠。

超流體是一種極冷的奇異物質，粘度為零 - 沒有阻力，因此它們可以自由流動。

如果在杯子中攪拌超流體，它會無限期地流動而不會減慢速度。

半個多世紀前，物理學家預測了“超固體”狀態(tài)的存在。

它是同時具有固體和超流體特性的物質，其中一小部分原子無摩擦地流過剛性晶體結構的晶格——點或物體的規(guī)則排列。

“就像格魯耶爾奶酪上的洞”

研究人員之前已經設法以多種方式觀察了超固體內部的這些晶體結構。

但是，奧地利因斯布魯克大學（University of Innsbruck）的物理學家弗朗西斯卡·費萊諾（Francesca Ferlaino）說，要直接觀察這種物質的奇異流動方式仍然難以捉摸。

直到 Ferlaino 領導的一項新研究發(fā)表在該雜志上自然界周三。

費萊諾告訴法新社，該團隊設法攪拌一種超固體來觀察微小的漩渦——稱為量子化漩渦——這是“超流體的冒煙槍”。

“想象一下你有一杯咖啡，然后用勺子給它打個小漩渦，“她解釋說。

“你會看到咖啡圍繞中心旋轉，如果你仔細觀察，中間可能有一個漩渦，液體旋轉得最快。這是常規(guī)流體中漩渦的典型例子。

現(xiàn)在想象一下咖啡被超流體取代。

“如果你慢慢旋轉勺子，你會驚訝地發(fā)現(xiàn)超流體根本不與勺子一起旋轉——它保持完全靜止，就像沒有任何東西打擾它一樣，”Ferlaino 說。

“然而，如果你更快地旋轉勺子，而不是在中心形成一個大漩渦，就會發(fā)生一些不尋常的事情。一系列微小的漩渦或量子化的漩渦開始出現(xiàn)，“她說。

“這些就像流體中的小孔，每個孔都以特定的速度旋轉，”她解釋說。

“相反，它們在超流體的表面以美麗、規(guī)則的圖案排列，幾乎就像一塊格魯耶爾奶酪上的孔，但組織得非常有序?！?/p>

爆炸的星星

2021 年，因斯布魯克大學團隊通過在實驗室中將特定原子和分子冷卻到極低的溫度，創(chuàng)造了一種長壽的二維超固體。

“下一步——開發(fā)一種在不破壞其脆弱狀態(tài)的情況下攪拌超固體的方法——需要更高的精度，”該研究的主要作者 Eva Casotti 說。

該團隊使用磁場小心地旋轉它們的超固體，將其攪動以產生漂亮的量子化漩渦。

“我們的發(fā)現(xiàn)為我們提供了超固態(tài)雙重性質的有力、直接的證據(jù)，”Ferlaino 說。

研究人員表示，這一突破將使在實驗室中模擬通常只有在真正極端條件下才會發(fā)生的現(xiàn)象成為可能。

這包括中子星中心發(fā)生的事情，即大質量恒星變成超新星時留下的極其密集和緊湊的核心。

“據(jù)推測，在中子星中觀察到的轉速變化——所謂的毛刺——是由中子星內部的超流體漩渦引起的，”參與該項目的托馬斯·布蘭德 （Thomas Bland） 說：說在一份聲明中。

?法新社

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