物理学家首次搅拌超固体，证明了其奇异的双重性质

科学家们周三表示，他们首次成功地搅动了一种叫做“超固体”的奇怪物质——它既是刚性的又是流体的——为这种量子奇特的双重性质提供了直接证据。

在日常生活中，有四种物质状态– 固体、液体、气体和更稀有的等离子体。

但物理学家长期以来一直在研究所谓的“奇异”物质状态，这些状态是在极高的能量水平或寒冷到接近绝对零度（-273.15 摄氏度或 -459.67 华氏度）的温度下产生的。

在这些极端条件下，物质开始表现得与我们习惯的行为截然不同。

液体或气体等流体可能会或多或少地产生流动阻力，这是通过粘度来衡量的。例如，蜂蜜比水更粘稠。

超流体是一种极冷的奇异物质，粘度为零 - 没有阻力，因此它们可以自由流动。

如果在杯子中搅拌超流体，它会无限期地流动而不会减慢速度。

半个多世纪前，物理学家预测了“超固体”状态的存在。

它是同时具有固体和超流体特性的物质，其中一小部分原子无摩擦地流过刚性晶体结构的晶格——点或物体的规则排列。

“就像格鲁耶尔奶酪上的洞”

研究人员之前已经设法以多种方式观察了超固体内部的这些晶体结构。

但是，奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）的物理学家弗朗西斯卡·费莱诺（Francesca Ferlaino）说，要直接观察这种物质的奇异流动方式仍然难以捉摸。

直到 Ferlaino 领导的一项新研究发表在该杂志上自然界周三。

费莱诺告诉法新社，该团队设法搅拌一种超固体来观察微小的漩涡——称为量子化漩涡——这是“超流体的冒烟枪”。

“想象一下你有一杯咖啡，然后用勺子给它打个小漩涡，“她解释说。

“你会看到咖啡围绕中心旋转，如果你仔细观察，中间可能有一个漩涡，液体旋转得最快。这是常规流体中漩涡的典型例子。

现在想象一下咖啡被超流体取代。

“如果你慢慢旋转勺子，你会惊讶地发现超流体根本不与勺子一起旋转——它保持完全静止，就像没有任何东西打扰它一样，”Ferlaino 说。

“然而，如果你更快地旋转勺子，而不是在中心形成一个大漩涡，就会发生一些不寻常的事情。一系列微小的漩涡或量子化的漩涡开始出现，“她说。

“这些就像流体中的小孔，每个孔都以特定的速度旋转，”她解释说。

“相反，它们在超流体的表面以美丽、规则的图案排列，几乎就像一块格鲁耶尔奶酪上的孔，但组织得非常有序。”

爆炸的星星

2021 年，因斯布鲁克大学团队通过在实验室中将特定原子和分子冷却到极低的温度，创造了一种长寿的二维超固体。

“下一步——开发一种在不破坏其脆弱状态的情况下搅拌超固体的方法——需要更高的精度，”该研究的主要作者 Eva Casotti 说。

该团队使用磁场小心地旋转它们的超固体，将其搅动以产生漂亮的量子化漩涡。

“我们的发现为我们提供了超固态双重性质的有力、直接的证据，”Ferlaino 说。

研究人员表示，这一突破将使在实验室中模拟通常只有在真正极端条件下才会发生的现象成为可能。

这包括中子星中心发生的事情，即大质量恒星变成超新星时留下的极其密集和紧凑的核心。

“据推测，在中子星中观察到的转速变化——所谓的毛刺——是由中子星内部的超流体漩涡引起的，”参与该项目的托马斯·布兰德 （Thomas Bland） 说：说在一份声明中。

©法新社

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