《自然·物理學(xué)》重磅：旋轉(zhuǎn)超固態(tài)中的量子同步

發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上題為《Synchronization in rotating supersolids》的論文詳細(xì)介紹了一項(xiàng)在量子物理學(xué)最前沿的非凡發(fā)現(xiàn)：在旋轉(zhuǎn)的超固態(tài)物質(zhì)中觀察到同步現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是集體動(dòng)力學(xué)原理如何體現(xiàn)在奇異量子物質(zhì)中的一個(gè)迷人案例。集體動(dòng)力學(xué)原理在經(jīng)典系統(tǒng)中無(wú)處不在，從耦合的擺鐘到同步閃爍的螢火蟲皆是如此。這項(xiàng)研究不僅深刻揭示了超固態(tài)的性質(zhì)，還確立了同步作為一種強(qiáng)大、非侵入性的探針，可用于測(cè)量基本的量子特性。

超固態(tài)的矛盾本質(zhì)

要領(lǐng)會(huì)這項(xiàng)工作的意義，我們首先必須了解其中涉及的獨(dú)特物質(zhì)狀態(tài)：超固態(tài)。超固態(tài)在幾十年前就被理論提出，但直到最近才在超冷原子氣體（特別是像鏑這樣的偶極量子氣體）中實(shí)現(xiàn)。超固態(tài)是一種同時(shí)展現(xiàn)出兩種看似矛盾的特性的量子相：

1. 晶體有序性（類固態(tài)）：原子以周期性、重復(fù)的結(jié)構(gòu)排列，類似于普通的固態(tài)晶體。在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的超固態(tài)表現(xiàn)為量子液滴陣列。
2. 超流性（類流體）：系統(tǒng)具有無(wú)粘性或無(wú)摩擦流動(dòng)的能力，這是超流體的特征。這種無(wú)摩擦流動(dòng)歸因于整個(gè)系統(tǒng)宏觀上的相位一致性。

因此，超固態(tài)同時(shí)自發(fā)地破壞了兩種基本對(duì)稱性：平移對(duì)稱性（形成晶體有序）和全局規(guī)范對(duì)稱性（實(shí)現(xiàn)超流性）。該系統(tǒng)的核心難題是這兩種截然不同的序——?jiǎng)傂跃w和無(wú)摩擦流動(dòng)——如何共存并相互作用。同步研究為此提供了一個(gè)引人注目的答案。

發(fā)現(xiàn)：量子渦旋觸發(fā)的同步

實(shí)驗(yàn)涉及將超固態(tài)量子氣體置于由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的精心控制的外部旋轉(zhuǎn)之下。超固態(tài)的運(yùn)動(dòng)具有兩個(gè)主要的振蕩組成部分：進(jìn)動(dòng)和公轉(zhuǎn)。構(gòu)成晶格的單個(gè)量子液滴會(huì)進(jìn)動(dòng)（搖擺），并集體繞著系統(tǒng)中心公轉(zhuǎn)，遵循外部驅(qū)動(dòng)。

最初，這些運(yùn)動(dòng)可能會(huì)遵循復(fù)雜、甚至可能是混沌的模式。然而，研究人員觀察到，當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)頻率超過某個(gè)閾值后，出現(xiàn)了驚人的轉(zhuǎn)變：整個(gè)超固態(tài)晶體的運(yùn)動(dòng)“突然同步”，并開始與外部驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的頻率同步振蕩。固態(tài)運(yùn)動(dòng)和外部驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)這兩種內(nèi)部自由度，被鎖定在一起。

促進(jìn)這種鎖定的關(guān)鍵因素是量子渦旋。在超流體中，旋轉(zhuǎn)不是通過流體的均勻旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；相反，它是通過形成被稱為渦旋的量子化漩渦發(fā)生的。這些渦旋是攜帶著固定、量子化角動(dòng)量的拓?fù)淙毕荨?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，渦旋成核（渦旋的形成）是同步現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵樞紐。一旦渦旋進(jìn)入系統(tǒng)，它就提供了必要的非線性耦合機(jī)制，將不同的振蕩模式（晶體運(yùn)動(dòng)和外部場(chǎng)）鎖定在一起。因此，同步戲劇性地揭示了系統(tǒng)的雙重性質(zhì)：超流體組分的變化（渦旋形成）會(huì)立即決定類固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的集體動(dòng)力學(xué)。

同步作為一種強(qiáng)大的量子探針

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)最重要的應(yīng)用或許在于它作為一種高效的探針，用于測(cè)量基本的量子參數(shù)。在旋轉(zhuǎn)量子流體中，一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)是精確確定臨界渦旋頻率（Ωc）——即渦旋進(jìn)入系統(tǒng)在能量上有利所需的精確旋轉(zhuǎn)速度。直接測(cè)量 Ωc非常困難，因?yàn)闇u旋形成的過程可能很微妙，并且其特征信號(hào)可能被熱或量子漲落所掩蓋。

同步現(xiàn)象提供了一個(gè)優(yōu)雅的解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，超固態(tài)運(yùn)動(dòng)發(fā)生同步的瞬間，恰好與第一個(gè)量子渦旋進(jìn)入系統(tǒng)的臨界頻率相吻合。

同步頻率= 臨界渦旋頻率 (Ωc)

通過追蹤同步轉(zhuǎn)變，研究人員獲得了一種用于測(cè)量這一關(guān)鍵參數(shù)的明確且可靠的方法。這種方法論展示了一種新的范式：復(fù)雜的、非線性的集體動(dòng)力學(xué)（同步）可以被利用來(lái)提取奇異量子物質(zhì)的定量、基本屬性。

更廣泛的啟示與未來(lái)方向

這篇論文的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室的范圍。

1. 基礎(chǔ)物理學(xué)：這項(xiàng)工作推動(dòng)了對(duì)非平衡量子動(dòng)力學(xué)以及集體現(xiàn)象在具有共存破缺對(duì)稱性系統(tǒng)中的作用的普遍理解。它證實(shí)了同步原理并不局限于經(jīng)典世界，而是一種支配甚至奇異量子相的普遍機(jī)制。
2. 天體物理學(xué)類比：在超冷超固態(tài)中觀察到的動(dòng)力學(xué)可能與中子星中的現(xiàn)象相關(guān)。這些天體內(nèi)部被理論認(rèn)為含有超流體成分，其中渦旋動(dòng)力學(xué)起著至關(guān)重要的作用。觀測(cè)到的脈沖星旋轉(zhuǎn)中突然發(fā)生的“故障”或自旋加速事件，可能與大量量子渦旋的解釘和逃逸有關(guān)，這一過程與在實(shí)驗(yàn)室超固態(tài)中研究的動(dòng)力學(xué)具有概念上的相似之處。
3. 量子技術(shù)：能夠控制和精確測(cè)量渦旋成核的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，為理解和操縱量子系統(tǒng)中的角動(dòng)量傳輸開辟了新的可能性，這最終可能與量子傳感或其他量子技術(shù)相關(guān)。

總而言之，在旋轉(zhuǎn)超固態(tài)中觀察到的同步不僅僅是量子力學(xué)的一個(gè)巧妙展示；它有力地證明了物理學(xué)的統(tǒng)一性。通過揭示固態(tài)和超流體組分之間精確而有節(jié)奏的舞蹈，這項(xiàng)研究闡明了一個(gè)矛盾量子態(tài)的內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制，并提供了一種創(chuàng)新、強(qiáng)大的工具來(lái)描繪其基本屬性。這種現(xiàn)象將一個(gè)復(fù)雜的、雙重性質(zhì)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單、連貫的量子振蕩器。