常見物質以三種不同的形式存在：固態、液態或氣態。然而過去的物理學研究揭示了物質的其他奇特狀態，其中之一就是超固態。在超固態中，粒子被排列成剛性晶體，儘管如此，它們仍然可以在沒有任何摩擦的情況下穿過固體。雖然這看起來很矛盾，但這種狀態是量子力學定律所允許的。丹麥奧爾胡斯大學(Aarhus University)一組研究人員現在進行了一項研究，探索了偶極玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)的超固性，偶極玻色-愛因斯坦凝聚體是一種物質狀態。
在這種狀態下，冷卻到接近絕對零度的單個原子結合成一個量子力學實體，其研究成果發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，揭示了結晶發生的臨界點，並出現了一種新的超固相，其特徵是規則的蜂窩狀結構和近乎完美超流體。進行這項研究的研究人員之一托馬斯·波爾(Thomas Pohl)表示：50多年前的推測表明，超固體性一直難以被觀測到，直到現在才有了新的發現。
在接近絕對零度的溫度下，非常稀薄的原子氣體會被激光冷卻，並被困在其中。在這樣極端的條件下，原子可以共同形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚體。這是一種量子態，代表了理想的無摩擦超流體。然而，人們自然不會期望這種稀釋、自由流動的液體會結晶。
科學家被超固態的奇異性質所吸引，想知道如果原子以合適的方式相互作用，這是否可能。本世紀初，研究人員提出，由粒子形成的偶極玻色愛因斯坦凝聚體，就像小磁鐵一樣，可以在相當長的距離內相互吸引和排斥。在研究中，Pohl和同事張永昌（音譯）和Fabian Maucher觀察到，這種偶極凝聚的量子漲落可以導致在臨界點(即相圖中的一個點。在該點上，物質的兩個相變得不可分辨。這本質上意味著，偶極冷凝物實際上可以是超固態。
這正是研究人員在開始研究時所希望的。然而在計算產生了進一步的驚喜，特別是與量子流體結晶的方式有關。當把冰塊放入一杯水中時，它需要一段時間才能完全融化，換句話說，水在融化或凍結的過程中可以以液體和固體的形式共存，這種行為在許多其他物質中都很典型。令人驚訝的是，研究發現超固體以一種特殊的方式凍結，在這種方式下，原子要麼是完全液態的，要麼是完全固態的，而液體和晶體幾乎完全相同，就在兩相轉變而不共存的時刻。Pohl、Zhang和Maucher進行的分析揭示了一種新超固體，這與他們最初預期的非常不同。
偶極量子流體不再是原子排列在典型晶格上，而是形成了蜂窩狀結構。然而，與蜂窩狀結構相反，蜂蜜是一種粘性流體，在這種結構中，偶極原子可以沿著超流體“蜂巢”的脊線自由移動。研究人員發現了這種奇特的物質形式，在這種物質中，粒子可以在完全由液體本身構成的規則網絡中流動，而且幾乎是零粘度。研究人員Fabian Maucher說：我們的理論研究是基於宏觀量子力學波函數的分析和數值模擬，該函數描述了玻色-愛因斯坦凝聚態中偶極原子的狀態。正如之前研究所指出的，一個特別重要的方面是在描述中包括量子力學關聯和量子漲落。
事實上，事實證明，這種量子漲落促進了蜂窩固體及其不尋常的凍結行為，否則就不會存在。正如研究發現所示，這種超固態可以追溯到偶極縮合物中量子漲落的影響。在未來，研究人員計劃進一步研究這些發現，並開展更多關於偶極玻色-愛因斯坦凝聚的研究。同時，其他研究團隊也在探索偶極量子流體的行為，包括理論和實驗。偶極量子流體已經成為超固體行為的一個令人興奮的新平臺，它將繼續挑戰我們對超固體行為的理解，並揭示關於這種迷人物質量子狀態的驚喜和新見解。
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參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.015301
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