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物理学家将物质的奇异阶段分配到一个额外的维度
超固体的原子可以在不损失能量的情况下移动
激光+超冷气体 ， 开启物质变化新维度——超固体
超固体的原子可以在不损失能量的情况下移动
图解：艺术家对超固体的印象描绘 ， 它既像固体又像液体 。 图源：IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch
物理学家发明了有史以来第一个二维超固体——一种奇异的物质相 ， 表现为固体和无摩擦液体共存 。
图解：二维超固体 。 图源：sciencetimes
超固体是一种晶体材料 ， 其原子排列结构规则且重复 ， 也能够永远流动而不损失任何动能 。 尽管它们的奇异性质似乎违反了许多已知的物理定律 ， 但物理学家早在1957年就在物理学家尤金·格罗斯（Eugene Gross）的工作中首次提出了理论上的预测 。
现在 ， 通过使用激光和超冷气体 ， 物理学家终于将超固体诱导成了二维结构 ， 这一进步可以让科学家们破解奇怪物质相神秘性质背后的深层物理 。
研究人员特别感兴趣的是 ， 当二维超固体旋转成一个圆圈时 ， 它们将如何表现 ， 以及它们内部会出现的小漩涡或漩涡 。
图解：对膨胀的玻色-爱因斯坦凝聚环的概念图 。 图源：Emily Edwards Joint Quantum Institute
【超固体，物质的奇异阶段，具有怎样神秘的性质？】主要作者、奥地利因斯布鲁克大学量子光学和量子信息研究所（IQOQI）的物理学家马修·诺西亚（Matthew Norcia）在一封电子邮件中告诉《生活科学》 。 “例如 ， 我们希望通过研究旋转振荡 ， 以及在二维系统比在一维系统中更容易存在的漩涡 ， 学到很多东西 。 ”
为了制造超固体 ， 研究小组在光学镊子内悬浮了一团镝-164原子 ， 然后使用一种称为激光冷却的技术将原子冷却到略高于零开尔文（零下459.67华氏度 ， 或零下273.15摄氏度） 。
图解：镝（Dy） 。 镝-164原子（原子序数：66）的原子核组成和电子构型图 ， 镝是该元素最常见的同位素 。 原子核由66个质子（红色）和98个中子（蓝色）组成 。 66个电子（绿色）结合到原子核 ， 依次占据可用的电子壳（环） 。。 图源：SCIENCE PHOTO LIBRARY
向气体发射激光通常会使气体升温 ， 但如果激光束中的光子（光粒子）沿与移动气体粒子相反的方向传播 ， 它们实际上会导致气体粒子变慢并冷却 。 在用激光尽可能地冷却镝原子后 ， 研究人员松开了光镊的“把手” ， 为最高能的原子创造了足够的空间去逃逸 。
由于“较热”的粒子比较冷的粒子抖动得更快 ， 这项技术称为蒸发冷却 ， 可以让研究人员只留下过冷的原子；这些原子被转变成了一种新的物质相：玻色-爱因斯坦凝聚体：一组被过冷到绝对零度的原子 。
图解：将铷原子冷却到绝对零度以上不到1700亿分之一的温度 ， 导致单个原子凝结成一个“超级原子” ， 表现为一个单一的实体 。 该图显示了时间上的三维连续快照 ， 其中原子从密度较低的红色、黄色和绿色区域凝聚成非常密集的蓝色到白色区域 。 图源：physx
当一种气体被冷却到接近零度的温度时 ， 它的所有原子都会失去能量 ， 进入相同的能量状态 。 由于我们只能通过观察原子的能级来区分气体云中其他相同的原子 ， 这种均衡具有深远的影响：从量子力学的角度来看 ， 组成较暖气体的原子的振动、抖动和碰撞的一度完全不同的原子云变得完全相同 。
这为一些真正奇怪的量子效应打开了大门 。 海森堡的测不准原理说作为量子行为的一个关键规则 ， 其中说到 ， 不能绝对准确地知道粒子的位置和动量 。 然而 ， 既然玻色-爱因斯坦凝聚态原子不再运动 ， 它们的所有动量都是已知的 。 这导致原子的位置变得如此不确定 ， 以至于它们可能占据的位置的面积比原子之间的空间更大 。
因此 ， 模糊玻色-爱因斯坦凝聚球中的重叠原子就好像它们只是一个巨粒子 ， 而不是离散的原子 。 这给一些玻色-爱因斯坦凝聚体赋予了超流体的性质：允许它们的粒子在没有任何摩擦的情况下流动 。 事实上 ， 如果你搅拌一杯超流体玻色-爱因斯坦凝聚体 ， 它将永远不会停止旋转 。
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