物理學(xué)家首次攪拌超固體，證明了其奇異的雙重性質(zhì)

科學(xué)家們周三表示，他們首次成功地?cái)噭?dòng)了一種叫做“超固體”的奇怪物質(zhì)——它既是剛性的又是流體的——為這種量子奇特的雙重性質(zhì)提供了直接證據(jù)。

在日常生活中，有四種物質(zhì)狀態(tài)– 固體、液體、氣體和更稀有的等離子體。

但物理學(xué)家長(zhǎng)期以來一直在研究所謂的“奇異”物質(zhì)狀態(tài)，這些狀態(tài)是在極高的能量水平或寒冷到接近絕對(duì)零度（-273.15 攝氏度或 -459.67 華氏度）的溫度下產(chǎn)生的。

在這些極端條件下，物質(zhì)開始表現(xiàn)得與我們習(xí)慣的行為截然不同。

液體或氣體等流體可能會(huì)或多或少地產(chǎn)生流動(dòng)阻力，這是通過粘度來衡量的。例如，蜂蜜比水更粘稠。

超流體是一種極冷的奇異物質(zhì)，粘度為零 - 沒有阻力，因此它們可以自由流動(dòng)。

如果在杯子中攪拌超流體，它會(huì)無限期地流動(dòng)而不會(huì)減慢速度。

半個(gè)多世紀(jì)前，物理學(xué)家預(yù)測(cè)了“超固體”狀態(tài)的存在。

它是同時(shí)具有固體和超流體特性的物質(zhì)，其中一小部分原子無摩擦地流過剛性晶體結(jié)構(gòu)的晶格——點(diǎn)或物體的規(guī)則排列。

“就像格魯耶爾奶酪上的洞”

研究人員之前已經(jīng)設(shè)法以多種方式觀察了超固體內(nèi)部的這些晶體結(jié)構(gòu)。

但是，奧地利因斯布魯克大學(xué)（University of Innsbruck）的物理學(xué)家弗朗西斯卡·費(fèi)萊諾（Francesca Ferlaino）說，要直接觀察這種物質(zhì)的奇異流動(dòng)方式仍然難以捉摸。

直到 Ferlaino 領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究發(fā)表在該雜志上自然界周三。

費(fèi)萊諾告訴法新社，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法攪拌一種超固體來觀察微小的漩渦——稱為量子化漩渦——這是“超流體的冒煙槍”。

“想象一下你有一杯咖啡，然后用勺子給它打個(gè)小漩渦，“她解釋說。

“你會(huì)看到咖啡圍繞中心旋轉(zhuǎn)，如果你仔細(xì)觀察，中間可能有一個(gè)漩渦，液體旋轉(zhuǎn)得最快。這是常規(guī)流體中漩渦的典型例子。

現(xiàn)在想象一下咖啡被超流體取代。

“如果你慢慢旋轉(zhuǎn)勺子，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)超流體根本不與勺子一起旋轉(zhuǎn)——它保持完全靜止，就像沒有任何東西打擾它一樣，”Ferlaino 說。

“然而，如果你更快地旋轉(zhuǎn)勺子，而不是在中心形成一個(gè)大漩渦，就會(huì)發(fā)生一些不尋常的事情。一系列微小的漩渦或量子化的漩渦開始出現(xiàn)，“她說。

“這些就像流體中的小孔，每個(gè)孔都以特定的速度旋轉(zhuǎn)，”她解釋說。

“相反，它們?cè)诔黧w的表面以美麗、規(guī)則的圖案排列，幾乎就像一塊格魯耶爾奶酪上的孔，但組織得非常有序?！?/p>

爆炸的星星

2021 年，因斯布魯克大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過在實(shí)驗(yàn)室中將特定原子和分子冷卻到極低的溫度，創(chuàng)造了一種長(zhǎng)壽的二維超固體。

“下一步——開發(fā)一種在不破壞其脆弱狀態(tài)的情況下攪拌超固體的方法——需要更高的精度，”該研究的主要作者 Eva Casotti 說。

該團(tuán)隊(duì)使用磁場(chǎng)小心地旋轉(zhuǎn)它們的超固體，將其攪動(dòng)以產(chǎn)生漂亮的量子化漩渦。

“我們的發(fā)現(xiàn)為我們提供了超固態(tài)雙重性質(zhì)的有力、直接的證據(jù)，”Ferlaino 說。

研究人員表示，這一突破將使在實(shí)驗(yàn)室中模擬通常只有在真正極端條件下才會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象成為可能。

這包括中子星中心發(fā)生的事情，即大質(zhì)量恒星變成超新星時(shí)留下的極其密集和緊湊的核心。

“據(jù)推測(cè)，在中子星中觀察到的轉(zhuǎn)速變化——所謂的毛刺——是由中子星內(nèi)部的超流體漩渦引起的，”參與該項(xiàng)目的托馬斯·布蘭德 （Thomas Bland） 說：說在一份聲明中。

?法新社

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