量子凍結(jié)：美國團(tuán)隊首次實現(xiàn)激子超流體向超固態(tài)轉(zhuǎn)變

科學(xué)家使用了比氦輕一千倍的石墨烯，并在相對更高的溫度下實現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

紐約哥倫比亞大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家首次僅使用激子就將超流體轉(zhuǎn)變成了超固態(tài)。此舉阻止了已知處于持續(xù)運動中的超流體的流動，這很像將流動的水變成冰，但這是在量子層面上發(fā)生的。

物質(zhì)的三種狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)——已廣為人知并被理解。但物理學(xué)家更感興趣的是理解存在于量子層面的許多其他物質(zhì)狀態(tài)，例如超流體和超固態(tài)。

當(dāng)粒子被冷卻到絕對零度以上的溫度時，就會出現(xiàn)超流態(tài)。在這些溫度下，沒有熱量，使得流體能夠無摩擦地流動。如果受到攪動，超流體可以形成持續(xù)永恒的小型龍卷風(fēng)，也稱為量子渦旋。

從超流體到超固態(tài)

超固態(tài)是這樣一種物質(zhì)狀態(tài)：它保持了超流體的零粘度特性，但粒子不再四處移動。相反，它們形成像晶格一樣的有序結(jié)構(gòu)，同時仍然保持形成量子渦旋的能力。

科學(xué)家此前已經(jīng)在實驗室中成功制造出超固態(tài)。然而，這是通過使用額外設(shè)備和能量場迫使粒子維持有序結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。但這一次，哥倫比亞大學(xué)和德克薩斯大學(xué)的研究人員首次在沒有任何外部儀器的情況下，實現(xiàn)了這些狀態(tài)之間的自然過渡。

"我們首次觀察到超流體經(jīng)歷相變，變成了看似超固態(tài)的東西，"哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家科里·迪恩在一份新聞稿中說道，他參與了這項工作。

他們是如何做到的？

在他們的實驗中，研究人員使用了兩片石墨烯，它比紙張還薄，由碳原子以六邊形蜂窩狀晶格排列構(gòu)成。然后，他們向該系統(tǒng)施加了強(qiáng)磁場并進(jìn)行冷卻，從而產(chǎn)生了"激子湯"。

激子是準(zhǔn)粒子，當(dāng)光粒子激發(fā)價帶中的電子并留下一個電子空穴時形成。電子和空穴共同形成一個能夠傳輸能量的中性粒子。

當(dāng)激子被冷卻到比絕對零度高2.7到7.2華氏度（1.5到4攝氏度）的溫度時，它們形成了超流體。當(dāng)研究人員進(jìn)一步冷卻時，超流體就簡單地轉(zhuǎn)變成了超固態(tài)。

"超流性通常被視為低溫基態(tài)，"德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家賈力在新聞稿中補(bǔ)充道。"觀察到絕緣相融化成超流體是前所未有的。這強(qiáng)烈表明低溫相是一種高度不尋常的激子固體。"

目前，研究人員正在探索這種絕緣態(tài)的邊界，并構(gòu)建新的測量工具，因為該材料不傳導(dǎo)任何電流。此外，這種材料需要強(qiáng)磁場才能達(dá)到超固態(tài)和超流態(tài)。因此，該團(tuán)隊正在尋找其他可能用于研究且不需要磁場的材料。

在研究中使用激子更好，因為它們比氦輕得多，并且可以在相對更高的溫度下形成超固態(tài)和超流體。盡管使用超固態(tài)的優(yōu)勢尚不明確，但科學(xué)家們渴望理解這種物質(zhì)的量子狀態(tài)。

這項研究發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在《自然》雜志上。

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