近日，美國麻省理工學(xué)院MIT的物理學(xué)家又創(chuàng)造出一種新的物質(zhì)形態(tài)：超固體。這種物質(zhì)形態(tài)同時具備了固體的和超流體的性質(zhì)。
　　研究人員用激光操縱處于玻色-愛因斯坦凝聚的氣態(tài)超流體，使它們同時進入于一種全新的量子態(tài)中——超固態(tài)。這種量子態(tài)具有晶格結(jié)構(gòu)，同時還擁有超流體本身的無粘性流動特性。
　　理解這種明顯矛盾的物質(zhì)狀態(tài)可以幫助我們更好地理解超流和超導(dǎo)的性質(zhì)，從而極大促進超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)傳感器以及能量傳輸?shù)刃袠I(yè)的發(fā)展。該項研究發(fā)表在這周的《自然》雜志上。
　　Wolfgang Ketterle 是麻省理工學(xué)院物理系的教授，也是整個團隊的領(lǐng)導(dǎo)者。他說：“超固體既能流動又有固體的結(jié)構(gòu)，這的確很反常識。當(dāng)你攪拌一杯具有超流性的咖啡時，咖啡會永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)下去。”
　　物理學(xué)家們曾經(jīng)預(yù)測會有超固體的存在，但迄今為止仍未在實驗室發(fā)現(xiàn)過它的存在。有人從理論上提出，如果可以在低溫條件下，讓處于超流體狀態(tài)下的氦原子繞著氦晶體運動，從而形成等效意義上的超固體，然而從實驗層面上來看，這個結(jié)果能否實現(xiàn)完全無法預(yù)知。
　　Ketterle團隊沒有用氦原子，而是用鈉原子實現(xiàn)了超固體。由于自旋數(shù)總和為偶數(shù)，鈉原子是一種玻色子，當(dāng)玻色子被冷卻到接近絕對零度時就會發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），形成超流體。
　　Ketterle本人是波色-愛因斯坦凝聚態(tài)的發(fā)現(xiàn)者之一，憑借這個發(fā)現(xiàn)他獲得了2001年的諾貝爾物理獎。
　　這次實驗中，研究團隊用了另一個看家技術(shù)，通過激光冷卻和蒸發(fā)冷卻將鈉原子冷卻到了納凱爾文（十億分之一度）的級別。
　　Ketterle表示，整個實驗中最大的挑戰(zhàn)是從超流向超固的轉(zhuǎn)變。
　　之前的理論現(xiàn)實，BEC態(tài)中的原子如果發(fā)生“自旋-軌道耦合”（spin-orbit coupling，即粒子的自旋和運動之間產(chǎn)生相互作用），便會因為自發(fā)的“密度調(diào)制”而產(chǎn)生固體的晶格結(jié)構(gòu)。
　　因此，為了得到超固體，團隊用激光操控原子的運動，使它們發(fā)生“自旋-軌道耦合”。他們在超高真空腔中，用一組激光建立了超晶格勢阱，使得BEC狀態(tài)下一半的鈉原子進入了另一個量子自旋態(tài)。接下來，另一束激光束被用來不斷將兩組原子的自旋方向不停地翻轉(zhuǎn)。
　　簡單來說，Ketterle團隊把兩組不同的BEC態(tài)疊加到了一起 ，產(chǎn)生了周期性的晶格結(jié)構(gòu)。這時系統(tǒng)的平移對稱性被破壞，系統(tǒng)密度也普通的晶體一樣，不再是連續(xù)的，而是會有波一樣的樣式分布，這個分布即所謂的“帶相”。
　　對“密度調(diào)制”的觀察由MIT物理系的博士生Junru Li負(fù)責(zé)，他是該篇論文的第一作者。
　　“對系統(tǒng)的密度調(diào)制進行觀察是（實驗中）最困難的部分，”Junru Li 說，“其實原理很簡單，用另一束激光照射系統(tǒng)，密度的不均勻分布會使激光發(fā)生布拉格衍射。困難的地方在實驗細(xì)節(jié)上面，比如需要精確地調(diào)整激光， 且使整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)以便觀察，任何小的差錯都可能毀掉整個實驗。”
　　超固體是否存于自然？
　　目前，超固體只有在極低的溫度和超高的真空環(huán)境中才能實現(xiàn)。Ketterle打算做更多的實驗，來完善他們對這種新物質(zhì)形態(tài)的理解。
　　“我們用這些冷原子，逐步揭開了自然的種種可能性，”Ketterle解釋說，“我們的實驗證明了對超固體的預(yù)言是正確的，我們也希望以后的研究可以獲得更多的意想不到的結(jié)果。”
　　同一期《自然》雜志上還發(fā)表了瑞士一個研究團隊的結(jié)果，他們用另一種方法也得到了超固體。“兩個團隊同時發(fā)現(xiàn)超固體，說明這種新物質(zhì)形態(tài)具有極大的魅力。”Ketterle說道。
　　這項研究的贊助方為：自然科學(xué)基金，空軍科學(xué)研究辦公室和陸軍研究辦公室。