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超固体是一种具备超流特性的固体，也就是集“超流体+固体”特性于一身的物质，简单来说超固体就是既有晶体态中原子规则排布的特征，又可以像超流体一样无摩擦流动。在极低温下，超固体晶体中的空隙能够集中在一起到处流动，如果在超固体一侧的空隙中放上固体，那么固体会随着这些空隙一起在超固体中随意穿梭，甚至直接穿梭，就如穿墙术那样自由穿梭。 看到超固体，对于很多人来说，第一印象就是超级坚固的固体，而且字面意思也是“超级+坚固”。然而，事实并非如此，超固体其实对应的是超流体，指的是一种具备超流特性的固体，也就是集“超流体+固体”特性于一身的物质。简单来说就是超固体既有晶体态中原子规则排布的特征，又可以像超流体一样无摩擦流动。 当量子流体，比如He-4冷却到某特征温度以下时，He-4将经历超流转变，进入一个零黏性的态。这个转变被认为与发生玻色-爱因斯坦凝聚有关。而研究人员就是利用激光操纵处于玻色-爱因斯坦凝聚的气态超流体，使它们同时进入于一种全新的量子态中，从而得到超固体。 那么玻色—爱因斯坦凝聚是什么，跟超固体有什么关系呢？玻色—爱因斯坦凝聚即某些物质在温度接近绝对零度时，会表现出一种特殊的物质状态，这种物质状态因为是爱因斯坦和印度物理学家玻色共同提出的，所以被称为玻色—爱因斯坦凝聚。随着温度的下降，物质原子的振动减弱，能量减小，但原子与原子之间，能量还是有所不同的。但是，当温度降低到接近绝对零度时，某些物质的原子能量会全部降低到相同的最小值。这种状态下的原子会表现出非常奇异的特性，如原子之间阻力消失，物质出现超导或超流现象等等。 超固体又从何而来呢？我们都知道，地球上比较常见的基本物态有四种，固体、液体、气体和等离子体。这四种物态泾渭分明，性质迥异。以固体和液体为例，固体中原子结合紧密，不易形变。典型的固体是晶体，其基本特征是组分原子规则排列形成有规律的平移不变的结构。而液体中粒子通过范德华力结合，有一定的自由度，易于形变。液体的一个鲜明特性是可以流动，其流动性由粘滞系数表征，系数越强则流动性越差。 人们一直以为自然界中的液体都带有一定的粘性，直到1938年俄罗斯物理学家Pyotr Kapitsa与来自英国的 John Allen、Don Misener 各自独立测量低于–270.92摄氏度的极低温下液氦的粘滞系数，发现其数值极其小，甚至比当时人们普遍认为数值最小的氢气的系数小一万倍，近乎为零。Kapitsa 通过类比超导体将之命名为超流体。 一般液体只能乖乖地待在杯子里，而超流体却可以顺着杯子壁向上蔓延，直到爬出杯子来到外面。液体中搅动出一个漩涡，漩涡逐渐就消失了，超流体中的漩涡却可以永远在那儿悬着，不减弱也不消失。向液体中插入一根毛细管，在光照下也没有见到什么现象，而向超流体中插入毛细管，光照时却喷出美丽的喷泉。要让液体穿过细密的网，必须给它施加一定的压力，但是超流体很自觉，不费吹灰之力就可以透过非常细密的网。 超流体从密闭空间流出 超流体没有一点内部摩擦粘滞力，它可以随心所欲做出许多液体做不到的。但是超流体又是液体，是液体中的另类，由原本不是超流体的液氦变来，在低温下产生了特异的性质。既然液体在低温下会存在另类，科学家推测固体也应该存在低温下的另类，如果另类固体真的存在，那么它将是什么性质呢？ 根据超流体与液体的性质对比，我们可以推测出那个低温另类固体的性质，它应该也没有了内部摩擦粘滞力，那么它就会看起来是固体，其实它却可以随意被一些普通的固体穿越。而且它的表面也没有摩擦力，若想把它放在平板上拖它是不可能的，若是给它施加一个速度，它真的会沿着直线永远跑下去，只要这条直线式的跑道存在。我们也按照上面的命名方式，把这种固体叫做超固体。 其实早在1969年，俄罗斯理论物理学家就预言了这种超固体的存在，他们认为极低温下，超固体晶体中的空隙能够集中在一起到处流动，如果在超固体一侧的空隙中放上固体，那么固体就会随着这些空隙一起在超固体中随意穿梭，甚至直接穿梭。 2004年美国宾州州立大学的实验小组在《自然》杂志上撰文，他们将氦冷却到绝对零度以上不到0.1度的极低温时，发现疑似超固体的特征。这个小组并不百分百确信他们发现的就是超固体，其中主要原因在于他们无法排除容器内存在有一个液体薄层，从而可能在最终影响他们的结论。一些后续实验也似乎坐实了超固体还未被发现这一结论，人们发现氦4在某种特定条件下表现出某种“量子可塑性”，这显然非“超固”现象所导致。 科学界主流很大程度上相信2004年的实验并没有真正发现超固体，在接下来的数年里相关研究也逐渐冷却下来。到2016年11月份，两个独立的实验小组都在arXiv上声称他们在实验室中实现了超固体。 MIT的Ketterle研究组：左起Furkan CagriTop, Junru Li, Sean Burchesky, Alan O.Jamison, Wolfgang Ketterle,BorisShteynas, Wujie Huang和Jeongwon Lee. 这两个小组来自美国麻省理工学院和瑞士苏黎世理工学院。尽管他们采用了不同的实验手段，但是他们不约而同的使用了同一种系统来实现超固体：一种被称为“玻色爱因斯坦凝聚体”的气体。 玻色爱因斯坦凝聚体是一种出现在超冷温度下的奇异物态，在如此低的温度下原子的量子特性变得极其明显，展现出明显的波动性。凝聚体有他们自己的独特属性，因为它们是超流体，可以很便捷的制备超固体，所以使用它们相当于工作已经完成了一半。 两个实验小组都采用了这种超冷气体，但是用不太相同的实验技巧，将气体制备至奇特的量子相：一方面具备了如固体般的晶格结构，另一方面又保留了超流特性。 ETH小组的实验设置，四个镜子拍成相对的两组，各自形成一个光学谐振腔。 MIT Ketterle 实验组用于实验超固体的仪器 对于普通大众来说，这种潜在的新物质态有什么特别的意义、未来的发展趋势是什么？目前来说，并没有。这种新物质态只能存在于极低温且超高真空条件下，这意味着至少目前我们还无法将其应用普遍化。不过更深入的理解理解这种明显矛盾的物质状态可以帮助我们更好地理解超流和超导的性质，从而极大促进超导磁体，超导传感器以及能量传输等行业的发展。 |
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