《自然·物理學》重磅：超固體的非平衡新形態

在當代量子物理的研究領域中，超固體這一概念極具魅力。超固體是一種奇特的物質狀態，它同時具備兩種看似矛盾的性質：晶體結構的周期性密度調制，以及超流體的無摩擦流動。超固體一度僅停留在理論設想層面，但隨著超冷原子氣體實驗的進展，它逐漸成為現實。發表于 Nature Physics的研究《驅動量子氣體中的類超固體聲模》（Supersolid-like sound modes in a driven quantum gas）進一步拓展了這一前沿，展示了如何在一個非平衡驅動量子體系中產生類超固體的激發。

背景：超固體與量子流體

超固體的探索始于20世紀，源于這樣一種設想：量子多體系統可能在同一狀態下同時保持晶體相和超流性。在平衡系統中，如具有偶極相互作用或自旋–軌道耦合的玻色–愛因斯坦凝聚體（BEC），研究者已經通過引入密度調制并保持相位相干，實現了超固體態。

這些平衡超固體會展現出典型的Goldstone模式，即由于對稱性破缺而產生的集體激發：

• 相位模式：與超流體 U(1) 規范對稱性破缺相關，表現為常見的聲波；
• 聲子模式：與平移對稱性破缺相關，表現為密度調制晶格的振動。

然而，對于非平衡驅動量子體系中是否能夠出現類似的超固體特性，了解卻相對有限。本研究正是針對這一問題展開。

實驗設計：驅動下的類超固體態

實驗使用了約3.5萬個鉀原子的玻色–愛因斯坦凝聚體，限制在準二維幾何中。研究的核心創新在于通過驅動實現了類超固體有序態：

1.相互作用的周期性驅動：研究者利用 Feshbach 共振技術周期性地調制原子間的散射長度，使相互作用強度隨時間振蕩。這樣一種外部驅動會自發形成密度調制結構，類似于凝聚體中的晶格。

2.光學控制：通過數字微鏡器件（DMD） 生成可控的光學勢場，使實驗者能夠有選擇性地激發不同的集體模式，并精確探測其傳播動力學。

3.激發探測方法

• 波包注入：在凝聚體中局域擾動并追蹤其演化；
• 集體模式制備：預先構造特定的密度調制結構，并觀測其動態響應。

通過這兩種方法，研究者能夠直接觀測到驅動量子氣體中的類聲學集體激發。

主要發現：類超固體聲模

實驗揭示了一個清晰的 雙模結構：

• 縱向聲波傳播：沿著密度調制方向，凝聚體展現出線性色散的聲波，以有限速度傳播。這些聲模對應于超流體相位和密度調制的集體激發，正如平衡超固體中的兩個 Goldstone 模式。
• 橫向擴散行為：在與調制垂直的方向上，擾動并非以聲波形式傳播，而是呈現為擴散性蔓延。這反映了對稱性和守恒定律對體系各向異性響應的深刻約束。
• 驅動系統中的超固體類比：盡管體系遠離平衡，但觀測到的模式與超固體框架高度對應：U(1) 對稱性破缺產生相位聲模，平移對稱性破缺產生密度聲模。重要的是，這些模式不是由內稟相互作用單獨決定的，而是由外部驅動引發。

理論框架：超流體條紋的流體動力學

為理解實驗結果，研究者使用了超流體層狀流體動力學理論。該理論不依賴于具體的微觀機制，而是基于對稱性破缺與守恒律進行建模：

• 超流體條紋態同時保持相位相干和空間調制。
• 理論預言了與實驗完全一致的雙模特征：縱向傳播模式與橫向擴散模式。
• 這一成功說明，超固體的語言和框架不僅適用于平衡體系，也能推廣到遠離平衡的驅動系統。

更廣泛的意義

這項研究具有深遠影響：

• 超固體的非平衡推廣：實驗表明，超固體現象并不限于平衡物理。通過周期性驅動，可以穩定新的有序態并研究其集體激發。
• 新型量子流體力學：系統中同時存在傳播與擴散模式，體現了對稱性、守恒律與外部驅動之間復雜的相互作用。這為非平衡流體力學提供了新的研究方向。
• 量子模擬平臺：驅動 BEC 平臺為模擬復雜凝聚態體系提供了新可能，尤其是涉及非平衡晶體與流體態的模擬。這也有助于理解非平衡統計物理中的核心問題。
• 潛在應用前景：雖然目前仍屬基礎研究，但對驅動量子體系中集體聲模的精確控制，未來可能為量子傳感、通信或計算提供新思路。

結論

驅動量子氣體中的類超固體聲模的觀測是量子多體物理的重要里程碑。通過周期性驅動玻色–愛因斯坦凝聚體的相互作用，研究者實現了一個具有密度調制和超流特性的態，并觀測到兩種清晰的聲學激發，與平衡超固體高度相似。但同時，非平衡特性也帶來獨特現象，如橫向擴散而非聲學傳播。

借助超流體條紋流體動力學的解釋，這一工作凸顯了超固體概念的普適性，表明它同樣適用于遠離平衡的動態體系。展望未來，這一發現為探索非平衡量子相提供了重要契機，不僅深化了基礎物理理解，也為潛在的量子技術應用奠定了實驗與理論基礎。