氦是最輕的單原子分子，在液體或固體狀態中氦原子具有非常大的零點動能和非常小的範德華作用，因此液體和固體氦具有一系列有趣的量子現象，被稱作“量子液體”和“量子固體”。滿足波色統計的液體
4He在2.1K以下進入著名的超流相；而滿足費米統計的液體3He在2mK以下也通過p波配對的形式進入超流相，形成目前唯一被確定了的p波超流（超導）體。固體氦同樣具有一些奇異的量子特性—由於原子具有非常大的零點動能，原子間交換變得十分頻繁，因此固體中的缺陷具有非常高的遷移率。在溫度接近熔點時（1~2K），由熱激發所產生的空位運動主導了固體的塑性形變行為，而在遠離熔點的低溫區（<0.5K），位錯線的運動成為塑性形變的主要原因，因此觀察固體氦的塑性形變可以作為研究量子固體中缺陷運動行為的手段。之前的工作大多集中在接近熔點處的塑性形變，研究的是熱激發空位的行為。然而在遠離熔點的極低溫環境下對固體氦塑性形變的研究仍處於空白，主要難點在於在此溫度下需要施加非常大的形變或應力才能使固體產生塑性形變，這在極低溫條件下十分困難。為了深入研究在極低溫條件下量子固體的塑性形變，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室程智剛特聘研究員與加拿大阿爾伯塔大學物理系John Beamish教授合作，採用疊加多層壓電陶瓷單元的方法，在1.5K處製備4 He固體，並在16mK對其施加最大0.4%的切向形變使其進入塑性形變區，觀測到瞬時發生的應力釋放現象。該應力釋放過程持續時間為25μs左右，釋放應力最大幅度達到6%。通過分析發現，該過程是由於位錯線在應力作用下產生雪崩效應，新生成的位錯線以聲速運動，導致晶格滑移並釋放應力。研究者同時觀測到聲學激發信號，通過頻譜分析得到位錯線輸運距離在5微米至5毫米之間。其中5微米的最小輸運距離與位錯線的平均間距相當，表明在這一尺度中位錯線的運動為彈道輸運過程。該研究成果首次在量子固體中觀測到位錯線的雪崩效應、彈道輸運過程、聲學激發過程等一系列現象。這些現象均與量子固體中位錯線的極高遷移率相關，在常規固體中很難在宏觀尺度被觀測到。
如圖一所示，研究者將18塊壓電傳感器疊在一起作為形變發生器，並以一塊壓電傳感器作為應力測量器，兩者之間間隙為170μm。通過在垂直表面方向對形變發生器施加電場產生較大的切向位移，從而在間隙內固體氦中產生切向形變ε和應力σ。該應力作用在測量器上，在表面產生積累電荷。由於所施加的形變隨時間線性變化，測量器上的電荷也隨時間變化，產生微弱的電流。電流強度與微分切變模量μ
diff成正比，電流對時間積分得到的電荷則與應力σ成正比。研究者發現在形變ε<0.2%時μdiff為常數，表明固體在彈性形變區，而當ε>0.2%時，μdiff隨機出現尖銳的負方向的峰，峰寬大約為25微秒。這表明應力在瞬間得到釋放，預示固體氦內部出現位錯線雪崩效應並引起的晶格滑移。經過計算，位錯線以聲速（vt≈200 m/s）運動，並由此得出晶格滑移最大距離為5 mm。研究者進一步利用超高採樣率設備觀測到持續時間小於1μs的應力震盪信號。該信號來自於晶格滑移導致的聲學激發，即由於位錯線運動在晶格滑移區產生局部的聲學共振，並且以聲子的形式向周圍釋放能量。經過頻譜分析，該信號頻率分佈在5~30 MHz範圍內，中心頻率為20 MHz，由此推出該信號所對應的晶格滑移區大小為5 μm。綜合以上兩個實驗可以判斷晶格滑移範圍在5 μm至5 mm之間。值得指出的是，固體氦中位錯線的平均分隔距離為微米量級，實驗中觀測到的5 μm的滑移距離意味著位錯線以聲速做彈道運動。宏觀尺度下的位錯線彈道輸運過程在常規固體中並不常見，但固體氦的量子效應導致位錯線具有極高的遷移率，從而使得彈道輸運可以被觀察到。
該成果加深了人們對固體氦量子效應的理解，更為材料力學和金屬學研究提供了很好的借鑑。該成果發表在《物理評論快報》“Plastic Deformation in a Quantum Solid: Dislocation Avalanches and Creep in Helium “，Phys. Rev. Lett. 121, 055301 （2018）（DOI：10.1103/PhysRevLett.121.055301），並得到“編輯推薦（Editor’s Suggestion）”。該工作得到了科技部重點研發項目，中國科學院百人計劃，加拿大自然科學基金的資助。程智剛特聘研究員為該論文第一作者兼共同通訊作者。
圖一：a）實驗裝置示意圖；b）實驗裝置實物圖；c）實驗原理圖。在壓電形變發生器上施加隨時間線性變化電壓以產生線性形變；在應力探測器上產生的電流被電流前置放大器轉換成電壓信號，並被數據採集卡記錄下來。
圖二：應力釋放過程。a）形變ε在t=0時開始隨時間線性增加，達到0.38%後停止增加；b, c, d）應力監測信號。當ε>0.2%時應力釋放隨機產生，表現形式為微分切變模量μdiff（正比於電流）出現一個負方向的峰，隨後跟隨逐漸衰減的振盪。負方向的峰表明應力瞬時釋放，振盪的產生是由於局部小範圍內的晶格滑移在大範圍的固體氦內產生了聲學共振。
圖三：a）聲學激發時域信號；b）聲學激發頻域信號。；c）聲學激發示意圖。在尺度為δx的晶格滑移範圍內產生聲學共振，向周圍以聲子形式釋放能量。
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